JPH08278336A - Electrostatic sensor device - Google Patents

Electrostatic sensor device

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Publication number
JPH08278336A
JPH08278336A JP8371995A JP8371995A JPH08278336A JP H08278336 A JPH08278336 A JP H08278336A JP 8371995 A JP8371995 A JP 8371995A JP 8371995 A JP8371995 A JP 8371995A JP H08278336 A JPH08278336 A JP H08278336A
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JP
Japan
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circuit
phase
signal
capacitance
frequency
Prior art date
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Pending
Application number
JP8371995A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsuhiko Tanaka
克彦 田中
Teruo Negishi
照雄 根岸
Sadao Yamazaki
貞郎 山▲崎▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP8371995A priority Critical patent/JPH08278336A/en
Publication of JPH08278336A publication Critical patent/JPH08278336A/en
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

PURPOSE: To detect a little quantity of electrostatic capacitance by a method wherein a phase transition circuit outputs a phase transition signal representing the phase change of a resonance circuit in accordance with the change of electrostatic capacitance of an electrostatic capacitance detection element and the signal is distinguished by a phase. CONSTITUTION: An oscillator 3 oscillates at a frequency (f) equal to a resonance frequency of a resonance circuit of a phase transition circuit 2. A reference signal V1 of the frequency (f) of the oscillator 3 is supplied to the circuit 2. The circuit 2 outputs a signal V2 of which phase is shifted in accordance with the change of electrostatic capacitance designated by an electrostatic capacitance detection element 1. The signal V2 is introduced to a phase distinction circuit 5 via a circuit 4A having a buffer function. The signal V1 of the oscillator 3 is introduced to a circuit 5 via a circuit 4B having a buffer function. Circuits 4A, 4B obtain signals having desired voltages by virtue of the buffer functions. The circuit 5 executes the phase detection between the signals V2 and V1 to output a phase differential signal. The signal becomes an analog signal corresponding to the change of the electrostatic capacitance of the element 1. It is possible to detect the phase change from the analog signal.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic sensor device for detecting a change in micro capacitance.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、静電センサは、各分野に利用され
ている。例えば、速度、圧力、振動等の分野に於ける微
少変位計測である。更に、センシング素子として静電容
量センサに着目すると、検出能の向上に伴って、その計
測対象は、極板の対向面積の変化の検出、極板間距離の
変化の検出、誘電体内部の異物検出や食品の劣化に伴う
誘電率の変化の検出、紙厚の計測、印刷濃度の測定、粘
着テ−プの粘着層の厚み検出、電気部品の電極の厚み検
出、情報媒体上に刻まれたトラッキング信号検出、AV
分野では手振れ検出等、食品、印刷、金融、情報処理、
民生機器等の広範囲な産業分野で利用され、また利用が
期待出来る。
2. Description of the Related Art In recent years, electrostatic sensors have been used in various fields. For example, it is a minute displacement measurement in fields such as speed, pressure, and vibration. Furthermore, when focusing on the capacitance sensor as a sensing element, the measurement target is the detection of changes in the facing area of the electrode plates, the detection of changes in the distance between the electrode plates, and the foreign substances inside the dielectric, as the detectability improves. Detection, detection of change in dielectric constant due to food deterioration, measurement of paper thickness, measurement of print density, detection of adhesive layer thickness of adhesive tape, detection of electrode thickness of electrical parts, engraved on information medium Tracking signal detection, AV
In the field, such as camera shake detection, food, printing, finance, information processing,
It is used and expected to be used in a wide range of industrial fields such as consumer equipment.

【0003】静電センサの接続回路としては、発振回路
の共振器に静電センサを結合して静電容量変化を周波数
変化とした検出信号を取り出す所謂発振形センサ回路、
コンデンサをブリッヂで構成し、その1辺に静電センサ
を結合するブリッジドキャパシタンス回路や良く知られ
ているウインブリッヂ回路、セラミック共振器を用いた
検出用共振回路に静電センサを接続して静電容量を検出
する回路等がある。
As a connection circuit for the electrostatic sensor, a so-called oscillation type sensor circuit is provided in which an electrostatic sensor is coupled to a resonator of an oscillation circuit to take out a detection signal with a change in capacitance as a frequency change.
A capacitor is configured with a bridge, and a static capacitance sensor is connected to a bridged capacitance circuit that connects an electrostatic sensor to one side of it, a well-known wing bridge circuit, or a detection resonance circuit that uses a ceramic resonator. There is a circuit for detecting the capacitance.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体微細加工
技術、所謂マイクロマシンニング技術を用いて微細静電
容量の変化を利用する静電センサ装置が開発されつつあ
る。これらの静電センサ装置は、1×1mm以下と極め
て小さく、静電容量の変化を示す電極面積も微細で、得
られる固有容量は、例えば、数pF程度であり、その静
電容量の変化分は最大でも10%程度である。このた
め、静電センサの構成も厳選せざるをえず、従来から周
知の信号処理回路をそのまま適用するのは困難であっ
た。
In recent years, an electrostatic sensor device utilizing a change in fine electrostatic capacitance is being developed by using a semiconductor fine processing technique, so-called micromachining technique. These electrostatic sensor devices are extremely small, 1 × 1 mm or less, and the electrode area showing the change in capacitance is minute, and the obtained specific capacitance is, for example, about several pF. Is about 10% at the maximum. For this reason, the configuration of the electrostatic sensor has to be carefully selected, and it has been difficult to apply a conventionally known signal processing circuit as it is.

【0005】本発明は、微少な静電容量の検出が可能で
あり、検出能の優れた静電センサ装置を提供するもので
ある。
The present invention provides an electrostatic sensor device capable of detecting a very small capacitance and having excellent detectability.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決すた
め、請求項1の発明では、静電容量検出素子と、該静電
容量検出素子を含んだ共振回路を有する位相推移回路
と、基準となる周波数信号を発生する発振回路とからな
り、位相推移回路は静電容量検出素子の静電容量変化に
応じて前記共振回路の位相変移を示す相推移推信号を出
力し、該相推移推信号を位相弁別回路で発振回路からの
基準信号によって位相弁別して静電容量検出素子の微少
静電容量変化に相当した出力信号を得ることを特徴とす
るものである。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the invention of claim 1, a capacitance detecting element, a phase shift circuit having a resonance circuit including the capacitance detecting element, and a reference. The phase transition circuit outputs a phase transition estimation signal indicating the phase transition of the resonance circuit according to the capacitance change of the capacitance detection element, and the phase transition estimation circuit outputs the phase transition estimation signal. It is characterized in that the signal is phase-discriminated by the phase discrimination circuit by the reference signal from the oscillation circuit to obtain an output signal corresponding to a slight change in electrostatic capacitance of the electrostatic capacitance detection element.

【0007】また、請求項2の発明では、静電容量検出
素子と、該静電容量検出素子を含んだ共振回路を有する
位相推移回路と、基準となる周波数信号を発生する発振
回路とを備え、位相推移回路は静電容量検出素子の静電
容量変化に応じて共振回路の位相変移を示す相推移推信
号を出力し、該相推移推信号及び基準信号とをそれぞれ
独立の周波数変換回路に導き発振回路の発振周波より低
い周波数信号とし、これらの信号を位相弁別回路で位相
弁別して位相変移に相当するパルス幅を有する出力信号
を得ることを特徴とするものである。
Further, according to the invention of claim 2, it is provided with an electrostatic capacitance detection element, a phase shift circuit having a resonance circuit including the electrostatic capacitance detection element, and an oscillation circuit for generating a reference frequency signal. , The phase transition circuit outputs a phase transition estimation signal indicating the phase transition of the resonance circuit according to the capacitance change of the capacitance detection element, and the phase transition estimation signal and the reference signal are supplied to independent frequency conversion circuits. It is characterized in that a frequency signal lower than the oscillation frequency of the guiding and oscillating circuit is used, and these signals are phase discriminated by a phase discriminating circuit to obtain an output signal having a pulse width corresponding to a phase shift.

【0008】更に、請求項3の発明では、位相弁別回路
を2つのゼロクロスコンパレータ回路と論理積回路から
構成し、一方のゼロクロスコンパレータ回路には位相推
移信号を入力し、他方のゼロクロスコンパレータ回路に
は基準信号を入力し、これらゼロクロスコンパレータ回
路の出力信号を論理積回路に入力する構成したことを特
徴とするものである。
Further, in the invention of claim 3, the phase discrimination circuit is composed of two zero-cross comparator circuits and a logical product circuit, the phase transition signal is inputted to one zero-cross comparator circuit, and the other zero-cross comparator circuit is inputted to the other zero-cross comparator circuit. It is characterized in that a reference signal is input and the output signals of these zero-cross comparator circuits are input to an AND circuit.

【0009】更にまた、請求項4の発明では、第2の論
理積回路と、位相弁別回路のパルス出力よりも高い周期
のクロックパルスを発生するクロック回路とを備え、第
2の論理積回路に位相弁別回路のパルス出力とクロック
回路のクロックパルスを入力して位相計数信号を得るこ
とを特徴とするものである。
Further, in the invention of claim 4, the second AND circuit is provided with a second AND circuit and a clock circuit for generating a clock pulse having a cycle higher than the pulse output of the phase discrimination circuit. A phase counting signal is obtained by inputting the pulse output of the phase discrimination circuit and the clock pulse of the clock circuit.

【0010】更にまた、請求項5の発明では、静電容量
検出素子と、該静電容量検出素子を含んだ共振回路を有
する位相推移回路と、基準となる周波数信号を発生する
主発振器と、主発信器よりも高い周波数の周波数信号を
発生する局部発信器とを備え、位相推移回路は静電容量
検出素子の静電容量変化に応じて共振回路の位相変移を
示す相推移推信号を出力し、該相推移推信号及び局部発
信器の局部信号を第1の周波数変換回路に導き、主発信
器の基準信号及び局部発信器の局部信号を第2の周波数
変換回路に導て主発振器の発振周波より低い周波数に変
換し、これらの信号を位相弁別して位相変移に相当する
パルス幅を有する出力信号を得る位相弁別回路と、該パ
ルス幅出力信号をパルス数に変換するデジタル位相回路
とから構成することを特徴とするものである。
Further, according to the invention of claim 5, a capacitance detecting element, a phase shift circuit having a resonance circuit including the capacitance detecting element, a main oscillator for generating a reference frequency signal, With a local oscillator that generates a frequency signal of a higher frequency than the main oscillator, the phase transition circuit outputs a phase transition estimation signal indicating the phase transition of the resonance circuit according to the capacitance change of the capacitance detection element. Then, the phase transition estimation signal and the local signal of the local oscillator are guided to the first frequency conversion circuit, and the reference signal of the main oscillator and the local signal of the local oscillator are guided to the second frequency conversion circuit and the main oscillator From a phase discriminating circuit that converts into a frequency lower than the oscillation frequency and discriminates these signals to obtain an output signal having a pulse width corresponding to a phase shift; and a digital phase circuit that converts the pulse width output signal into the number of pulses. To configure The one in which the features.

【0011】[0011]

【作用】請求項1の発明では、静電容量検出素子が設置
されている環境の物理量の変化により、その固有の静電
容量が変化すると、位相推移回路の共振回路の共振周波
数の位相が変移する。位相推移回路は、位相を変数とす
る相推移推信号を出力する。発振回路の発振周波数は、
静電容量検出素子の静電容量が変化する前の共振回路の
共振周波数と一致しており、基準周波数となる。相推移
推信号は、発振回路からの基準信号により位相弁別回路
で位相弁別される。位相弁別回路からは、静電容量検出
素子の微少静電容量変化に相当した出力信号が得られ
る。
According to the first aspect of the invention, when the inherent capacitance changes due to the change in the physical quantity of the environment in which the capacitance detecting element is installed, the phase of the resonance frequency of the resonance circuit of the phase shift circuit changes. To do. The phase shift circuit outputs a phase shift estimation signal having a phase as a variable. The oscillation frequency of the oscillator circuit is
It matches the resonance frequency of the resonance circuit before the capacitance of the capacitance detection element changes, and becomes the reference frequency. The phase transition estimation signal is phase discriminated by the phase discrimination circuit by the reference signal from the oscillation circuit. From the phase discriminating circuit, an output signal corresponding to the minute electrostatic capacitance change of the electrostatic capacitance detecting element is obtained.

【0012】請求項2の発明では、静電容量検出素子の
静電容量変化に応じて位相変移した相推移推信号と発振
回路の基準信号は、夫々周波数変換回路で基準信号の周
波数より低い周波数の信号、例えば、唸り波信号や分周
波信号に変換する。変換された信号は、位相弁別回路で
位相弁別され、位相変移に相当するパルス幅を有する信
号に変換される。
According to the second aspect of the invention, the phase transition estimation signal and the reference signal of the oscillating circuit, which are phase-shifted according to the change in the capacitance of the capacitance detecting element, have a frequency lower than the frequency of the reference signal in the frequency conversion circuit. Signal, for example, a beat signal or a split-frequency signal. The converted signal is subjected to phase discrimination by the phase discrimination circuit and converted into a signal having a pulse width corresponding to the phase shift.

【0013】請求項3の発明では、位相推移信号をゼロ
クロスコンパレータ回路でパルス波形に変換し、また、
基準信号をもう1つのゼロクロスコンパレータ回路でパ
ルス波形に変換する。これらのパルス波形を論理積回
路、即ち、アンドゲート回路に入力して位相推移信号と
基準信号の位相差をパルス幅とするパルス出力を得る。
According to the third aspect of the invention, the phase shift signal is converted into a pulse waveform by the zero cross comparator circuit, and
The reference signal is converted into a pulse waveform by another zero cross comparator circuit. These pulse waveforms are input to a logical product circuit, that is, an AND gate circuit to obtain a pulse output having a pulse width that is the phase difference between the phase transition signal and the reference signal.

【0014】請求項4の発明では、位相差を示すパルス
波形とクロック回路から加えられるクロックパルスを論
理積回路、換言すれば、アンドゲート回路に入力し、パ
ルス幅に相当する数のクロックパルスを位相計数信号と
して得る。
According to the invention of claim 4, the pulse waveform showing the phase difference and the clock pulse added from the clock circuit are input to the AND circuit, in other words, the AND gate circuit, and the number of clock pulses corresponding to the pulse width is inputted. Obtained as a phase counting signal.

【0015】請求項5の発明では、静電容量検出素子が
設置されている環境の物理量の変化により、その固有の
静電容量が変化すると、位相推移回路の共振回路の共振
周波数の位相が変移する。位相推移回路は、位相を変数
とする相推移推信号を出力する。主発振器の発振周波数
は、静電容量検出素子の静電容量が変化する前の共振回
路の共振周波数と一致しており、基準周波数となる。相
推移推信号及び基準信号は、夫々局部発振器からの局部
信号により周波数変換回路で低い周波数に周波数変換さ
れる。これらの信号は位相弁別回路で位相弁別され、位
相変移に相当するパルス幅を有する出力信号に変換され
る。この出力信号は、デジタル位相回路でクロックパル
ス数に変換変換される。このパルス数は、静電容量検出
素子の微少静電容量変化に相当した量を示している。
According to a fifth aspect of the present invention, when the capacitance inherent to the capacitance detecting element changes due to a change in the physical quantity of the environment in which the capacitance detecting element is installed, the phase of the resonance frequency of the resonance circuit of the phase shift circuit changes. To do. The phase shift circuit outputs a phase shift estimation signal having a phase as a variable. The oscillation frequency of the main oscillator coincides with the resonance frequency of the resonance circuit before the capacitance of the capacitance detection element changes, and becomes the reference frequency. The phase transition estimation signal and the reference signal are frequency-converted into a low frequency by a frequency conversion circuit by a local signal from a local oscillator. These signals are phase discriminated by a phase discriminating circuit and converted into an output signal having a pulse width corresponding to the phase shift. This output signal is converted into the number of clock pulses by the digital phase circuit. The number of pulses indicates an amount corresponding to a slight change in electrostatic capacitance of the electrostatic capacitance detection element.

【0016】[0016]

【実施例】図1は、本発明の静電センサ装置の原理を示
すブロックダイヤグラムである。図1に於いて、位相推
移回路2は、誘導M回路や並列共振回路等の跳躍的に位
相推移を生じるリアクタンス回路である。このようなリ
アクタンス回路はLC、多くは直列共振回路、並列共振
回路、直並列共振回路で構成される。この位相推移回路
2には、その回路要素として静電容量検出素子1が含ま
れている。この静電容量検出素子1は、設置されている
環境の物理量の変化により、その固有の静電容量を変化
させる。
1 is a block diagram showing the principle of the electrostatic sensor device of the present invention. In FIG. 1, the phase shift circuit 2 is a reactance circuit such as an induction M circuit or a parallel resonance circuit that causes a jumped phase shift. Such a reactance circuit is composed of an LC, mostly a series resonance circuit, a parallel resonance circuit, and a series-parallel resonance circuit. The phase shift circuit 2 includes the capacitance detection element 1 as its circuit element. The capacitance detecting element 1 changes its own capacitance by changing the physical quantity of the environment in which it is installed.

【0017】発振器3は、周知のTCXOやDCXOと
呼ばれる高精度発振器から構成され、発振周波数に関す
る精度は10-6の単位である。この発振器3は、位相推
移回路2の共振回路の共振周波数に一致する発信周波数
fで発振している。即ち、静電容量検出素子1の固有の
静電容量を回路定数として含む並列共振回路の共振周波
数と発振器3の発振周波数fは一致するように定めてあ
る。発振器3の発振周波数fの基準信号V1は位相推移
回路2に供給される。
The oscillator 3 is composed of a well-known high precision oscillator called TCXO or DCXO, and the precision of the oscillation frequency is 10 -6 . The oscillator 3 oscillates at an oscillation frequency f that matches the resonance frequency of the resonance circuit of the phase shift circuit 2. That is, the resonance frequency of the parallel resonance circuit including the intrinsic capacitance of the capacitance detection element 1 as a circuit constant is set to match the oscillation frequency f of the oscillator 3. The reference signal V1 having the oscillation frequency f of the oscillator 3 is supplied to the phase shift circuit 2.

【0018】位相推移回路2は、静電容量検出素子1が
示す靜電容量の変化に対応して位相が推移した信号V2
(位相推移信号)を出力する。
The phase shift circuit 2 is a signal V2 whose phase shifts in response to a change in electrostatic capacitance indicated by the electrostatic capacitance detection element 1.
(Phase shift signal) is output.

【0019】位相推移回路2の位相推移信号V2は、緩
衝機能を持つ回路4Aを介して位相弁別回路5に導か
れ、また、発振器3の基準信号V1は、緩衝機能を持つ
回路4Bを介して位相弁別回路5に導かれる。緩衝機能
を持つ回路4A,4Bは、例えば、バッファ回路であ
り、バッファ機能に伴って所望な電位の信号電圧を得る
ものである。位相弁別回路5は、位相推移信号V2と基
準信号V1の間で位相検波を行い、位相差信号を出力す
る。この位相差信号は、静電容量検出素子1の靜電容量
変化に相当したアナログ出力となる。
The phase shift signal V2 of the phase shift circuit 2 is guided to the phase discrimination circuit 5 through the circuit 4A having a buffer function, and the reference signal V1 of the oscillator 3 is passed through the circuit 4B having a buffer function. It is guided to the phase discrimination circuit 5. The circuits 4A and 4B having a buffer function are, for example, buffer circuits, and obtain a signal voltage of a desired potential according to the buffer function. The phase discrimination circuit 5 performs phase detection between the phase shift signal V2 and the reference signal V1 and outputs a phase difference signal. This phase difference signal becomes an analog output corresponding to the electrostatic capacitance change of the electrostatic capacitance detection element 1.

【0020】このアナログ出力を、例えば、波形成形回
路を用いてゼロ交差点で矩形波に変換すれば、その矩形
波の幅から位相変化を検出できる。
If this analog output is converted into a rectangular wave at the zero crossing point by using, for example, a waveform shaping circuit, the phase change can be detected from the width of the rectangular wave.

【0021】尚、位相弁別回路5には、必要に応じてロ
ーパスフィルタ6及び増幅回路7が接続される。この場
合でも、静電容量検出素子1の靜電容量変化に相当した
アナログ出力信号がセンサ装置から送出される。また、
位相弁別回路5に代えて周波数変換回路、例えば、唸り
信号発生回路、換言すれば、唸り周波数信号を発生する
ヘテロダイン検波回路を用いても良い。また、周波数分
周器を用いて分周されたアナログ信号を得ても良い。
A low-pass filter 6 and an amplifier circuit 7 are connected to the phase discrimination circuit 5 as needed. Even in this case, an analog output signal corresponding to the electrostatic capacitance change of the electrostatic capacitance detection element 1 is sent from the sensor device. Also,
Instead of the phase discrimination circuit 5, a frequency conversion circuit, for example, a beat signal generation circuit, in other words, a heterodyne detection circuit that generates a beat frequency signal, may be used. Alternatively, a frequency divider may be used to obtain the divided analog signal.

【0022】図2は、図1の位相推移回路2の基本リア
クタンス回路の原理を示すものであり、位相推移回路
は、キャパシタンスとインダクタンスの並列回路で構成
されている。
FIG. 2 shows the principle of the basic reactance circuit of the phase shift circuit 2 of FIG. 1. The phase shift circuit is composed of a parallel circuit of capacitance and inductance.

【0023】図2に於いて、コンデンサ10は、静電容
量検出素子1の変化前の固有の靜電容量Cを持ってい
る。コンデンサ10にはインダクタンスLのコイル11
が並列に接続され、並列共振回路を構成する。この共振
回路には位相推移回路2の固定容量C0 を持つコンデン
サ12が直列に接続されて基本リアクタンス回路を構成
している。この基本リアクタンス回路には、発振器3か
ら周波数fの基準信号V1が供給されており、コンデン
サ10とコイル11からなるLC並列共振回路とコンデ
ンサ12との間から静電容量検出素子1の靜電容量変化
△Cに相当した位相推移信号V2が取り出される。
In FIG. 2, the capacitor 10 has an inherent electrostatic capacitance C before the capacitance detecting element 1 is changed. The capacitor 10 has a coil 11 having an inductance L.
Are connected in parallel to form a parallel resonant circuit. A capacitor 12 having a fixed capacitance C 0 of the phase shift circuit 2 is connected in series to this resonance circuit to form a basic reactance circuit. The reference signal V1 of the frequency f is supplied from the oscillator 3 to the basic reactance circuit, and the electrostatic capacitance change of the electrostatic capacitance detection element 1 from between the LC parallel resonance circuit including the capacitor 10 and the coil 11 and the capacitor 12. The phase shift signal V2 corresponding to ΔC is taken out.

【0024】ここで、LC並列回路の両端に現れる電圧
(位相推移信号)V2を主発振器3の出力電圧(基準信
号)V1に対して表現すると次式の様になる。
Here, when the voltage (phase shift signal) V2 appearing at both ends of the LC parallel circuit is expressed with respect to the output voltage (reference signal) V1 of the main oscillator 3, the following expression is obtained.

【0025】[0025]

【数1】 [Equation 1]

【0026】ここで数1式の分母に着目すると次式の様
になる。
Focusing on the denominator of the equation 1, the following equation is obtained.

【0027】[0027]

【数2】 [Equation 2]

【0028】この式を満たす条件で数2式の分母はゼロ
になることから、位相推移信号V2の値が非常に大きく
なり共振が起こることが理解できる。更に、共振点を中
心として静電容量Cの大きさが増減すると、数1式は共
振点の前後で符号が反転するため、位相が大きく変化す
ることが期待できる。
Since the denominator of the equation (2) becomes zero under the condition that this equation is satisfied, it can be understood that the value of the phase shift signal V2 becomes extremely large and resonance occurs. Furthermore, when the magnitude of the electrostatic capacitance C increases or decreases around the resonance point, the sign of Equation 1 is inverted before and after the resonance point, so that the phase can be expected to change significantly.

【0029】しかしながら、分母がゼロになり値が無限
大になるということや位相が瞬間的に反転するというこ
とは、超伝導の環境下で可能性があるだけで、常温では
あくまでも理想回路で生じるにすぎない。実働回路では
LC並列共振回路のQは有限の値であり、等価並列抵抗
Rが存在する。
However, the fact that the denominator becomes zero, the value becomes infinite, and the phase is instantaneously inverted is only possible in a superconducting environment, and it occurs in an ideal circuit at room temperature. Nothing more. In the working circuit, Q of the LC parallel resonance circuit has a finite value, and the equivalent parallel resistance R exists.

【0030】図3に等価並列抵抗を考慮したときの基本
リアクタンス回路の原理を示す。抵抗値Rの等価並列抵
抗13は、コイル11と並列に接続されている。その他
の構成は図2と同じである。
FIG. 3 shows the principle of the basic reactance circuit when the equivalent parallel resistance is taken into consideration. The equivalent parallel resistor 13 having a resistance value R is connected in parallel with the coil 11. Other configurations are the same as those in FIG.

【0031】この共振回路は、抵抗値Rが存在しないと
きには反共振となり、静電容量Cが僅かに変化しただけ
で負方向から正方向に非常に大きな位相推移の跳躍が生
じる。この状態は、検出能が無限になることを意味し、
感度が著しく増大するが、これに反して安定性が悪いた
め等価抵抗Rと検出能の関係が重要になる。
This resonance circuit becomes anti-resonance when the resistance value R does not exist, and a very large phase transition jump occurs from the negative direction to the positive direction even if the electrostatic capacitance C slightly changes. This state means that the detectability becomes infinite,
Although the sensitivity is remarkably increased, on the contrary, since the stability is poor, the relationship between the equivalent resistance R and the detectability becomes important.

【0032】LCR並列共振回路の両端に現れる電圧
(位相推移信号)V2を発振器3の出力電圧(基準信
号)V1に対して表現すると次式の様になる。
The voltage (phase shift signal) V2 appearing at both ends of the LCR parallel resonance circuit is expressed with respect to the output voltage (reference signal) V1 of the oscillator 3 as follows.

【0033】[0033]

【数3】 (Equation 3)

【0034】ここで数3式は、数2式を満たす条件で実
数部がゼロになる。即ち、共振が起こる。等価抵抗Rは
影響しない。
In Equation 3, the real part becomes zero under the condition that Equation 2 is satisfied. That is, resonance occurs. The equivalent resistance R has no effect.

【0035】この共振点を中心として静電容量Cの大き
さが増減すると、電圧V1と電圧V2の位相差θは、C
>1/4π22L−C0 のとき次式が成立する。
When the magnitude of the electrostatic capacitance C increases or decreases around this resonance point, the phase difference θ between the voltage V1 and the voltage V2 becomes C
When> 1 / 4π 2 f 2 L−C 0 , the following equation holds.

【0036】[0036]

【数4】 [Equation 4]

【0037】また、C<1/4π22L−C0 のとき次
式が成立する。
When C <1 / 4π 2 f 2 L-C 0 , the following equation holds.

【0038】[0038]

【数5】 (Equation 5)

【0039】数4式及び数5式から、θ=90°では次
式が得られる。
From the equations (4) and (5), the following equation is obtained at θ = 90 °.

【0040】[0040]

【数6】 (Equation 6)

【0041】つまり、この数6式は、Rと基本検出能を
示す式になる。また、この式は、位相推移回路2の出力
特性が全く電源の影響を受けないことを示している。
That is, the equation (6) is an equation showing R and basic detectability. Further, this equation shows that the output characteristic of the phase shift circuit 2 is not affected by the power supply at all.

【0042】以上詳述したように、本発明の静電容量検
出素子の微少容量変化△Cを位相差θの変化として取り
出すので、非常に感度の良い靜電センサ装置を提供で
き、マイクロマシンニング技術で構成された微小センサ
に於ける微少靜電容量変化に適合するものとなる。
As described above in detail, since the minute capacitance change ΔC of the capacitance detecting element of the present invention is taken out as the change of the phase difference θ, a very sensitive electrostatic sensor device can be provided and the micromachining technique can be used. It becomes suitable for the minute electrostatic capacitance change in the constituted minute sensor.

【0043】上述では2つの信号V1,V2を直接位相
検波してアナログ出力を得ている。しかしながら、アナ
ログ信号処理では、基準信号と位相推移信号の振幅差が
誤差となり、また、アナログ信号では、インタ−フェ−
ス間に重畳する雑音の影響を受けやすいことが考えられ
る。そこで、デジタル出力を得る装置も望まれる。
In the above, the two signals V1 and V2 are directly phase-detected to obtain an analog output. However, in analog signal processing, the difference in amplitude between the reference signal and the phase shift signal causes an error, and in analog signals, the interface
It is conceivable that it is easily affected by the noise that is superimposed between spaces. Therefore, a device that obtains a digital output is also desired.

【0044】図4は本発明装置に於けるデジタルインタ
−フェイス出力を得る実施例を図示したものである。
FIG. 4 shows an embodiment for obtaining a digital interface output in the device of the present invention.

【0045】図4に於いて、位相推移回路22は、図1
と同様、誘導M回路や並列共振回路等の跳躍的に位相推
移を生じるリアクタンス回路である。この位相推移回路
22には、静電容量センサ21が含まれている。主発振
器23は、周知のTCXOやDCXOと呼ばれる高精度
発振器から構成され、位相推移回路22のリアクタンス
回路の共振周波数と一致する発信周波数f1で発振す
る。発振周波数f1は、7桁の精度を持ち、例えば、
4.900000MHzである。主発振器23は、発振
周波数f1を持った基準信号V1を位相推移回路22に
供給する。一方、位相推移回路22は、静電容量センサ
21が示す靜電容量の微小変化に対応して位相が推移し
た信号V2(位相推移信号)を出力する。
The phase shift circuit 22 shown in FIG.
Similarly to the above, it is a reactance circuit such as an inductive M circuit or a parallel resonance circuit that causes a jump in phase transition. The phase shift circuit 22 includes the capacitance sensor 21. The main oscillator 23 is composed of a well-known high-precision oscillator called TCXO or DCXO, and oscillates at an oscillation frequency f1 that matches the resonance frequency of the reactance circuit of the phase shift circuit 22. The oscillation frequency f1 has a precision of 7 digits, and for example,
It is 4.900000 MHz. The main oscillator 23 supplies a reference signal V1 having an oscillation frequency f1 to the phase shift circuit 22. On the other hand, the phase shift circuit 22 outputs a signal V2 (phase shift signal) in which the phase shifts in response to a minute change in electrostatic capacitance indicated by the electrostatic capacity sensor 21.

【0046】位相推移回路22は、位相推移信号V2を
緩衝回路24A、例えば、バッファー回路を介して混合
器27Aに供給する。また、主発振器23は、発振周波
数f1を持った基準信号V1を緩衝回路24B、例え
ば、バッファー回路を介して混合器27Bに供給する。
緩衝回路24A及び緩衝回路24Bは、バッファ機能を
有すると共に所望のレベルの信号電圧を得るものであ
る。
The phase shift circuit 22 supplies the phase shift signal V2 to the mixer 27A via a buffer circuit 24A, for example, a buffer circuit. Further, the main oscillator 23 supplies the reference signal V1 having the oscillation frequency f1 to the mixer 27B via the buffer circuit 24B, for example, the buffer circuit.
The buffer circuit 24A and the buffer circuit 24B have a buffer function and obtain a signal voltage of a desired level.

【0047】第2の発振回路25、即ち、局部発振器が
設けられる。この発振回路25は、主発振器23の発振
する周波数f1よりやや高い発振周波数f2の局部信号
V3を出力する。発振回路25の発振周波数f2は、
4.914677MHzであり、7桁の精度を持ってい
る。発振回路25の周波数f2の局部信号V3は、緩衝
回路26A及び26Bを介して夫々混合器27A及び2
7Bに供給される。
A second oscillator circuit 25, that is, a local oscillator is provided. The oscillator circuit 25 outputs a local signal V3 having an oscillation frequency f2 slightly higher than the frequency f1 oscillated by the main oscillator 23. The oscillation frequency f2 of the oscillation circuit 25 is
It is 4.914677 MHz and has a precision of 7 digits. The local signal V3 of the frequency f2 of the oscillating circuit 25 passes through the buffer circuits 26A and 26B and the mixers 27A and 2A, respectively.
7B.

【0048】位相推移信号V2と局部信号V3を入力し
た混合器27Aは、分周された低い周波数faの信号V
2aを発生する。また、基準信号V1と局部信号V3を
入力した混合器27Bは、分周された低い周波数fbの
信号V1aを発生する。これらの信号V1a,V2a
は、多くの高調波成分を多く含むので、夫々ローパスフ
ィルタ28A及び28Bを通すことで高調波成分を除去
する。以上の操作を行っても、混合器27A及び27B
の出力信号V1a及びV1bには、位相推移信号V2と
基準信号V1の間に於ける静電容量センサの静電容量の
変化に相当する位相差の関係が損なわれず存在する。
The mixer 27A, to which the phase shift signal V2 and the local signal V3 are input, is divided into a signal V having a low frequency fa.
2a is generated. The mixer 27B, to which the reference signal V1 and the local signal V3 are input, generates the divided signal V1a having the low frequency fb. These signals V1a and V2a
Contains a lot of harmonic components, the harmonic components are removed by passing through the low-pass filters 28A and 28B, respectively. Even if the above operation is performed, the mixers 27A and 27B
In the output signals V1a and V1b of 1., the relationship of the phase difference corresponding to the change in the capacitance of the capacitance sensor between the phase transition signal V2 and the reference signal V1 is present without being impaired.

【0049】ローパスフィルタ28A及び28Bを通過
した信号は、デジタル位相弁別回路に入力される。デジ
タル位相弁別回路は、2つのゼロクロスコンパレ−タ2
9A,29Bとこのコンパレ−タのゼロクロス矩形波の
論理積を得る論理積回路30から構成される。ゼロクロ
スコンパレ−タ29A,29Bに導かれた信号V1a,
V2aは、ゼロクロス整形される。
The signals that have passed through the low pass filters 28A and 28B are input to the digital phase discrimination circuit. The digital phase discrimination circuit has two zero-cross comparators 2.
9A, 29B and a logical product circuit 30 for obtaining a logical product of the zero-cross rectangular wave of this comparator. The signal V1a introduced to the zero cross comparators 29A and 29B,
V2a is zero cross shaped.

【0050】このゼロクロスコンパレータ29A,29
Bから出力される信号V1b,V2bは、パルス波形で
あるため、混合器27A,27Bからのアナログ信号の
振幅方向の誤差が完全に取り除かれたパルス出力信号と
なる。これらの信号は、論理積回路30、即ち、アンド
回路に同時に入力され、信号間のアンドがとられる。こ
の結果、アンド回路30からは、位相推移信号V2と基
準信号V1の位相差、換言すれば、静電容量センサ21
の靜電容量の変化に応じてパルス幅のデューティ比が変
化するパルス出力が得られる。このパルス出力は、デジ
タル位相回路31に導かれる。
This zero-cross comparator 29A, 29
Since the signals V1b and V2b output from B have pulse waveforms, they are pulse output signals from which errors in the amplitude direction of the analog signals from the mixers 27A and 27B have been completely removed. These signals are simultaneously input to the AND circuit 30, that is, the AND circuit, and the AND between the signals is taken. As a result, from the AND circuit 30, the phase difference between the phase shift signal V2 and the reference signal V1, in other words, the capacitance sensor 21.
It is possible to obtain a pulse output in which the duty ratio of the pulse width changes in accordance with the change in electrostatic capacity. This pulse output is guided to the digital phase circuit 31.

【0051】デジタル位相回路31は、アンド回路3
3、クロック発振器34、タイミング回路35、2進カ
ウンタ36、記憶素子37から構成される。クロック発
振器34は、例えば、15.00000MHzのクロッ
ク信号を出力してアンド回路33及びタイミング回路3
5に与える。アンド回路33は、クロック発振器34か
らの図7(B)に示すようなクロック信号とアンド回路
30からの図7(A)のようなパルス出力とのアンドを
とり、図7(C)にようなパルス出力のパルス幅に応じ
た数のパルスを出力する。
The digital phase circuit 31 is an AND circuit 3.
3, a clock oscillator 34, a timing circuit 35, a binary counter 36, and a storage element 37. The clock oscillator 34 outputs, for example, a clock signal of 15.0000 MHz to output the AND circuit 33 and the timing circuit 3.
Give 5 The AND circuit 33 ANDs the clock signal from the clock oscillator 34 as shown in FIG. 7B and the pulse output from the AND circuit 30 as shown in FIG. The number of pulses is output according to the pulse width of the pulse output.

【0052】このパルスは、タイミング回路35と同期
式の2進カウンタ36に与えられる。タイミング回路3
5のタイミングに同期し、2進カウンタ36からは、例
えば、9ビットのデジタルのパラレル出力が得られる。
論理積回路30の1周期の間にアンド回路33を通過し
たクロックパルス数をカウンタ36で数えることにより
パルス幅の変化をパルス数に変換して容易に計数でき
る。
This pulse is given to the timing circuit 35 and the binary counter 36 of the synchronous type. Timing circuit 3
In synchronization with the timing of 5, the binary counter 36 can obtain, for example, a 9-bit digital parallel output.
By counting the number of clock pulses that have passed through the AND circuit 33 during one cycle of the AND circuit 30 with the counter 36, the change in the pulse width can be converted into the number of pulses and easily counted.

【0053】記憶素子37は、2進カウンタ36の2進
信号をタイミング回路35の信号でタイミングを取って
記憶すると共に表示装置32で静電容量センサの容量値
を直接表示する。つまり、パルス出力は、静電容量セン
サから得られる微少変化の靜電容量を示すので、表示装
置32に送出することで静電容量センサの容量変化が直
接目視できる。また、2進カウンタ36のパラレル出力
を用いて静電容量センサの靜電容量の微少な変位をデジ
タル情報として利用することができる。
The storage element 37 stores the binary signal of the binary counter 36 with the timing of the signal of the timing circuit 35 and stores the capacitance value of the capacitance sensor directly on the display device 32. That is, since the pulse output indicates the electrostatic capacity of a slight change obtained from the electrostatic capacity sensor, the capacity change of the electrostatic capacity sensor can be directly viewed by sending it to the display device 32. Further, by using the parallel output of the binary counter 36, the minute displacement of the electrostatic capacity of the electrostatic capacity sensor can be used as digital information.

【0054】静電容量センサ21を含む位相推移回路2
2の原理は、図2及び図3について述べた内容と同じで
ある。
Phase shift circuit 2 including capacitance sensor 21
The principle of No. 2 is the same as that described with reference to FIGS.

【0055】ここでは、混合器27A及び27Bからの
位相差のあるアナログ信号V1a及びV2aからパルス
幅変換したパルス出力を得る原理を図5及び図6を用い
て説明する。図5は、デジタル位相差弁別回路の基本的
回路であり、図6は、位相差パルス幅変換の動作原理を
示している。
Here, the principle of obtaining pulse-width-converted pulse outputs from the analog signals V1a and V2a having a phase difference from the mixers 27A and 27B will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a basic circuit of a digital phase difference discriminating circuit, and FIG. 6 shows an operation principle of phase difference pulse width conversion.

【0056】混合器27A及び27Bからのアナログ信
号V1a及びV2aを正弦波の信号波であると仮定す
る。アナログ信号V1a及びV2aを夫々コンパレータ
40,41の正の入力端子に入力する。コンパレータ4
0,41の負の入力端子は、基準電圧を0Vに固定す
る。即ち、ゼロクロスコンパレータを構成する。
Assume that the analog signals V1a and V2a from the mixers 27A and 27B are sinusoidal signal waves. The analog signals V1a and V2a are input to the positive input terminals of the comparators 40 and 41, respectively. Comparator 4
The negative input terminals of 0 and 41 fix the reference voltage to 0V. That is, a zero cross comparator is configured.

【0057】このように構成すると、アナログ信号V1
a,V2aの正の半周期の間のみコンパレータ40,4
1の出力がハイレベルになり、デュ−ティ比が50%の
2つの独立したパルス出力V1b,V2bが得られる。
このパルス出力V1bとV2bの間の位相差は、静電容
量センサ21の微少な静電容量変位に従い変化するか
ら、夫々ゼロクロスコンパレータの出力間の出力波形の
立ち上がりと立ち下がりは、静電容量センサ21の靜電
容量の変化に対応した時間差を持つている。
With this configuration, the analog signal V1
a, V2a only during the positive half cycle, the comparators 40, 4
The output of 1 becomes high level, and two independent pulse outputs V1b and V2b with a duty ratio of 50% are obtained.
Since the phase difference between the pulse outputs V1b and V2b changes according to the slight capacitance displacement of the capacitance sensor 21, the rising and falling of the output waveform between the outputs of the zero-cross comparators are the capacitance sensor. 21 has a time difference corresponding to the change in electrostatic capacity.

【0058】コンパレータ40,41の出力は、アンド
ゲート回路42の入力端子に入力される。この2つのパ
ルス出力V1b,V2bをアンドゲート回路42に通し
て論理積を得ることにより、その出力は、静電容量セン
サ21の微小な靜電容量の変化に従ってパルス幅が変化
する信号になる。この出力は、雑音や温度変化などの外
乱による振幅の変化、換言すると、信号や電源に対する
外乱による誤差が相殺され、理論上、出力信号は、外乱
に全く影響されないことになる。
The outputs of the comparators 40 and 41 are input to the input terminal of the AND gate circuit 42. By passing these two pulse outputs V1b and V2b through the AND gate circuit 42 to obtain a logical product, the output becomes a signal whose pulse width changes in accordance with a minute change in electrostatic capacitance of the capacitance sensor 21. This output cancels out a change in amplitude due to a disturbance such as noise or temperature change, in other words, an error due to a disturbance with respect to a signal or a power supply is canceled, and theoretically, the output signal is not affected by the disturbance at all.

【0059】パルス幅のパルス数への変換は、上述のよ
うに、静電容量センサ21の微小な靜電容量の変化をパ
ルス幅変換できれば、パルス数変換は、周知なゲイト回
路処理によって容易に行なえる。
As described above, the pulse width can be easily converted by a well-known gate circuit process if the minute change in electrostatic capacitance of the capacitance sensor 21 can be converted into the pulse width as described above. It

【0060】ただ本発明のように、微少容量の変化を対
象にする時には、上述の発振器3,23,25と同様に
正確な周波数を発振するクロック発振器を用いる必要が
ある。従って、高精度の発振器3,23,25の周波数
を逓倍してクロックパルス信号を得る方法は、精度向上
や検出能の向上に有効な手段である。
However, as in the present invention, when the change in the minute capacitance is targeted, it is necessary to use a clock oscillator that oscillates an accurate frequency like the oscillators 3, 23 and 25 described above. Therefore, the method of multiplying the frequencies of the highly accurate oscillators 3, 23 and 25 to obtain the clock pulse signal is an effective means for improving the accuracy and the detectability.

【0061】上述の図1及び図4の回路では、電源回路
にも配慮を加る必要がある。つまり、デジタル回路とア
ナログ回路が混在する回路に電力を供給する電源回路
は、デジタル回路が発生する雑音がアナログ回路に混入
し、それぞれの回路中の雑音がランダムな位相差をもち
S/Nを悪化させることが多い。このうな時にはデジタ
ル回路、アナログ回路のいずれか一方、または、双方に
3端子レギュレ−タを挿入するか、外部回路からそれぞ
れ独立した電力を供給するなどの対策をこうじることが
好ましい、このような対策は、更に良好なS/Nを確保
し、また、微少な靜電容量を精度良く検出する上で特に
重要である。
In the circuits shown in FIGS. 1 and 4, it is necessary to consider the power supply circuit. In other words, in a power supply circuit that supplies power to a circuit in which a digital circuit and an analog circuit coexist, the noise generated by the digital circuit mixes into the analog circuit, and the noise in each circuit has a random phase difference and S / N. Often worse. In such a case, it is preferable to take measures such as inserting a three-terminal regulator into either or both of the digital circuit and the analog circuit, or supplying independent power from an external circuit. Is particularly important in order to secure a better S / N and to detect a minute electrostatic capacitance with high accuracy.

【0062】図5の回路の原理は、図1の位相弁別回路
5の代わりに用いることができる。そのときは、基準信
号V1をコンパレータ40の正の入力端子に入力し、位
相推移信号V2をコンパレータ41の正の入力端子に入
力すればよい。
The principle of the circuit of FIG. 5 can be used instead of the phase discrimination circuit 5 of FIG. In that case, the reference signal V1 may be input to the positive input terminal of the comparator 40, and the phase shift signal V2 may be input to the positive input terminal of the comparator 41.

【0063】図3の具体的な回路例について、本発明静
電センサ装置の検出能を説明する。
The detectability of the electrostatic sensor device of the present invention will be described with reference to the specific circuit example of FIG.

【0064】静電容量検出素子10には、ステアタイト
型のエアバリコンを擬似的に用い、コンデンサ12に
は、ディップ型タンタルコンデンサを用いた。コイル1
1には、無線機器用の高周波用コイルを用いた。リアク
タンス回路の動作周波数fは4.9MHzとした。ま
た、コンデンサ12のディップ型タンタルコンデンサは
4.7pFを用いた。更に、ステアタイト型のエアバリ
コンの初期容量として1.971pFを用いることし
た。数2式の条件を満たすコイル11のインダクタンス
Lの値を算出すると約158μHとなり、動作時のコイ
ル11のインピーダンスは約4.9kΩとなる。この条
件で、エアバリコンの静電容量を変化させたときの位相
差の出力値を記録することにより、その特性の測定が行
える。
As the capacitance detecting element 10, a steatite type air variable capacitor was used in a pseudo manner, and as the capacitor 12, a dip type tantalum capacitor was used. Coil 1
In 1, a high frequency coil for wireless equipment was used. The operating frequency f of the reactance circuit was set to 4.9 MHz. The dip-type tantalum capacitor of the capacitor 12 was 4.7 pF. Further, 1.971 pF was used as the initial capacity of the steatite type air variable capacitor. When the value of the inductance L of the coil 11 satisfying the condition of the equation 2 is calculated, it is about 158 μH, and the impedance of the coil 11 during operation is about 4.9 kΩ. Under this condition, by recording the output value of the phase difference when the electrostatic capacitance of the air variable capacitor is changed, the characteristic can be measured.

【0065】実験では、位相差がフルスケールで0〜1
80°に変化するときにアンド回路33からのデジタル
出力、即ちパルス数は0〜511個まで変化するよう構
成したので、1デジット当たりのθは 位相差θ=180−180/511×d [度] として求めることが出来る。但し、dはパルス数であ
る。
In the experiment, the phase difference is 0 to 1 at full scale.
Since the digital output from the AND circuit 33, that is, the number of pulses changes from 0 to 511 when changing to 80 °, θ per digit is the phase difference θ = 180−180 / 511 × d [degree ] Can be obtained as. However, d is the number of pulses.

【0066】図8に示すのは、静電容量センサの静電容
量に対するデジタル出力測定値及び位相差計算値の特性
曲線で、静電容量変化特性を実験値と理論値とを対比し
て示している。実線がパルス数、点線が位相差計算値で
ある。
FIG. 8 shows a characteristic curve of the digital output measured value and the calculated phase difference value with respect to the capacitance of the capacitance sensor, showing the capacitance change characteristic in comparison with the experimental value and the theoretical value. ing. The solid line shows the number of pulses, and the dotted line shows the calculated phase difference.

【0067】この結果から、静電容量センサの静電容量
が基本リアクタンス回路の共振条件を満たす付近で最も
高感度になっている。ここで言う高感度とは、微少な静
電容量Cの変化で位相差計算値及びデジタル出力測定値
が大きく変化することをいう。
From this result, it is shown that the capacitance of the capacitance sensor has the highest sensitivity in the vicinity where the resonance condition of the basic reactance circuit is satisfied. The high sensitivity referred to here means that the phase difference calculation value and the digital output measurement value greatly change due to a minute change in the capacitance C.

【0068】ここで高い感度を示す靜電容量値付近の検
出能能を求める。図8で、静電容量Cの値が1.868
6から2.063pFまで変化した場合に、デジタル出
力値が236から273へ変化している。また、この値
に相当する1デジット当たりの静電容量の平均変化率Δ
Cを求めると、 ΔC=(2.063-1.8686)/(273-236)=5.25×10−
3pF となる。即ち、最も高感度な特性曲線近傍のCの変化
は、デジタル出力値の1デジットに対して5.25×1
-3pFとなる。また、この値は位相角0.352度に
相当する。
Here, the detectability in the vicinity of the electrostatic capacitance value showing high sensitivity is obtained. In FIG. 8, the value of the capacitance C is 1.868.
When changing from 6 to 2.063 pF, the digital output value changes from 236 to 273. In addition, the average rate of change in capacitance per digit corresponding to this value Δ
When C is calculated, ΔC = (2.063-1.8686) / (273-236) = 5.25 × 10−
It becomes 3 pF. That is, the change of C near the most sensitive characteristic curve is 5.25 × 1 for 1 digit of the digital output value.
It becomes 0 -3 pF. Also, this value corresponds to a phase angle of 0.352 degrees.

【0069】これはあくまでも静電容量そのものではな
く,微少な静電容量の変化に対する検出能ではあるが、
一般の電子機器が動作する上で問題とせねばならない静
電容量の値及びその許容誤差を考えた場合、このような
簡便な回路を試作し検証した検出能でも5.25×10
-3pFと高い感度であることがわかる。
This is not the electrostatic capacity itself but the detection ability for a slight change in the electrostatic capacity.
Considering the value of capacitance and its allowable error, which should be a problem in the operation of general electronic equipment, the detectability obtained by prototyping and verifying such a simple circuit is 5.25 × 10.
It can be seen that the sensitivity is as high as -3 pF.

【0070】しかし、この検証によって得られた結果
は、コイル11の等価抵抗成分を考慮していない。実際
には、コイル11は等価抵抗成分を持っているし、ま
た、コイル11の等価直列抵抗成分もかなり大きく、こ
れからすれば等価並列抵抗Rは意外に小さい。つまりQ
が小さくなる。
However, the result obtained by this verification does not consider the equivalent resistance component of the coil 11. Actually, the coil 11 has an equivalent resistance component, and the equivalent series resistance component of the coil 11 is also considerably large, so that the equivalent parallel resistance R is unexpectedly small. That is Q
Becomes smaller.

【0071】これらの等価抵抗成分は、特に図8の曲線
の傾きに影響を与える。これに加えて、この試作装置で
は、基板のパターンや各回路素子のリード線等のストレ
容量にも改善の余地があり、数7式のωRも2桁程度の
改良が見込まれ、これらの諸事項を改善すれば更に2桁
以上の検出能の改善が容易にできる。
These equivalent resistance components particularly affect the slope of the curve in FIG. In addition to this, there is room for improvement in the stray capacitance of the board pattern and lead wires of each circuit element in this prototype device, and it is expected that ωR in the formula 7 will be improved by about two digits. If the items are improved, the detectability of two digits or more can be easily improved.

【0072】更に、デジタルインタ−フェス出力、クロ
ック発振器34のクロックパルス信号をさらに高速化す
ることで検出能が大幅に向上する。
Further, by further increasing the speed of the digital interface output and the clock pulse signal of the clock oscillator 34, the detectability is greatly improved.

【0073】以上に述べたごとく、ここで示した具体例
の特性は最良値でなく、等価抵抗成分をはじめとして多
くの改善要素を有するにも拘らず10-3pF程度の検出
能が簡単な試作回路で得られる。
As described above, the characteristic of the specific example shown here is not the best value, and the detectability of about 10 -3 pF is simple in spite of having many improving elements including the equivalent resistance component. Obtained with a prototype circuit.

【0074】[0074]

【効果】以上のように、本発明静電センサ装置は、共振
回路の位相跳躍現象に着目して構成したので次の様な効
果を有する。
[Effect] As described above, the electrostatic sensor device of the present invention has the following effects because it is constructed by focusing on the phase jump phenomenon of the resonance circuit.

【0075】(1) 静電容量検出素子の静電容量の微小な
変化で共振回路の位相を変移させて位相差として検出す
るので、微小な静電容量の変化を位相角で明確に弁別す
ることができる。従って、静電容量の微小変化ΔCに対
して10-5pF以上の検出能を得ることが可能である。
(1) Since the phase of the resonance circuit is changed by a slight change in the capacitance of the capacitance detecting element and detected as a phase difference, a minute change in the capacitance can be clearly discriminated by the phase angle. be able to. Therefore, it is possible to obtain a detectability of 10 −5 pF or more with respect to the minute change ΔC of the electrostatic capacitance.

【0076】(2) 静電容量検出素子の静電容量の微小な
変化を位相差で検出しデジタル量に変換しているため、
信号はの振幅の値の影響を受けず、外来ノイズや電源電
圧の変動等に伴う影響が少ない。
(2) Since a minute change in the capacitance of the capacitance detecting element is detected by the phase difference and converted into a digital amount,
The signal is not affected by the amplitude value of, and is less affected by external noise or fluctuations in the power supply voltage.

【0077】(3) 位相差を示す位相推移信号及び基準信
号は、同一の発振器の基準周波数を用いてその周波数が
完全に一致しているから、雑音や温度変化による影響も
ほぼ等しく受けて位相差を検出することになり、外部か
らの擾乱の影響を互いに打ち消し合う非常に安定で高S
/Nな回路が構成できる。
(3) Since the phase shift signal indicating the phase difference and the reference signal are completely matched in frequency by using the reference frequency of the same oscillator, they are almost equally affected by noise and temperature change. The phase difference will be detected, and the effects of external disturbances will cancel each other out.
/ N circuit can be configured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明静電センサ装置の原理を示すブロックダ
イヤグラムである。
FIG. 1 is a block diagram showing the principle of an electrostatic sensor device of the present invention.

【図2】本発明に於ける位相推移回路の原理を示す。FIG. 2 shows the principle of the phase shift circuit according to the present invention.

【図3】本発明に於ける位相推移回路の他の構成の原理
を示す。
FIG. 3 shows the principle of another configuration of the phase shift circuit according to the present invention.

【図4】本発明静電センサ装置の他の構成を示すブロッ
クダイヤグラムである。
FIG. 4 is a block diagram showing another configuration of the electrostatic sensor device of the present invention.

【図5】本発明に於ける基本的な位相差弁別回路を示
す。
FIG. 5 shows a basic phase difference discriminating circuit according to the present invention.

【図6】本発明に於ける位相差パルス幅変換回路の動作
原理を示す。
FIG. 6 shows an operation principle of a phase difference pulse width conversion circuit according to the present invention.

【図7】本発明に於けるパルス幅をパルス数に変換する
変換回路である。
FIG. 7 is a conversion circuit for converting a pulse width into a pulse number according to the present invention.

【図8】本発明に於ける静電容量に対するパルス数及び
位相差計算値を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a pulse number and a phase difference calculation value with respect to capacitance according to the present invention.

【記号の説明】[Explanation of symbols]

1,21 静電容量検出素子(センサ) 2,22 位相推移回路 3,23,25 発振器 5 位相弁別回路 27A,27B 混合器 29A,29B ゼロクロスコンパレータ 30,33 論理積回路 34 クロック発振器 1, 21 Capacitance detection element (sensor) 2, 22 Phase shift circuit 3, 23, 25 Oscillator 5 Phase discrimination circuit 27A, 27B Mixer 29A, 29B Zero cross comparator 30, 33 AND circuit 34 Clock oscillator

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 静電容量検出素子と、該静電容量検出素
子を含んだ共振回路を有する位相推移回路と、基準とな
る周波数信号を発生する発振回路とからなり、前記位相
推移回路は前記静電容量検出素子の静電容量変化に応じ
て前記共振回路の位相変移を示す相推移推信号を出力
し、該相推移推信号を位相弁別回路で前記発振回路から
の基準信号によって位相弁別して前記静電容量検出素子
の微少静電容量変化に相当した出力信号を得ることを特
徴とする静電センサ装置。
1. A capacitance detection element, a phase shift circuit having a resonance circuit including the capacitance detection element, and an oscillator circuit for generating a reference frequency signal, wherein the phase shift circuit is A phase transition estimation signal indicating the phase transition of the resonance circuit is output according to the capacitance change of the capacitance detection element, and the phase transition estimation signal is phase discriminated by the phase discrimination circuit by the reference signal from the oscillation circuit. An electrostatic sensor device, wherein an output signal corresponding to a slight change in electrostatic capacitance of the electrostatic capacitance detection element is obtained.
【請求項2】 静電容量検出素子と、該静電容量検出素
子を含んだ共振回路を有する位相推移回路と、基準とな
る周波数信号を発生する発振回路とを備え、前記位相推
移回路は前記静電容量検出素子の静電容量変化に応じて
前記共振回路の位相変移を示す相推移推信号を出力し、
該相推移推信号及び基準信号とをそれぞれ独立の周波数
変換回路に導き前記発振回路の発振周波より低い周波数
信号とし、これらの信号を位相弁別回路で位相弁別して
位相変移に相当するパルス幅を有する出力信号を得るこ
とを特徴とする静電センサ装置。
2. A capacitance detecting element, a phase shift circuit having a resonance circuit including the capacitance detecting element, and an oscillator circuit for generating a reference frequency signal, the phase shift circuit comprising: Outputting a phase transition estimation signal indicating the phase shift of the resonant circuit according to the capacitance change of the capacitance detection element,
The phase transition estimation signal and the reference signal are respectively guided to independent frequency conversion circuits to be frequency signals lower than the oscillation frequency of the oscillation circuit, and these signals are phase discriminated by a phase discrimination circuit and have a pulse width corresponding to a phase shift. An electrostatic sensor device characterized by obtaining an output signal.
【請求項3】 位相弁別回路を2つのゼロクロスコンパ
レータ回路と論理積回路から構成し、一方のゼロクロス
コンパレータ回路には位相推移信号を入力し、他方のゼ
ロクロスコンパレータ回路には基準信号を入力し、これ
らゼロクロスコンパレータ回路の出力信号を前記論理積
回路に入力する構成したことを特徴とした請求項1記載
の静電センサ装置。
3. A phase discriminating circuit is composed of two zero-cross comparator circuits and a logical product circuit. One of the zero-cross comparator circuits receives a phase transition signal and the other zero-cross comparator circuit receives a reference signal. The electrostatic sensor device according to claim 1, wherein an output signal of a zero-cross comparator circuit is input to the AND circuit.
【請求項4】 第2の論理積回路と、位相弁別回路のパ
ルス出力よりも高い周期のクロックパルスを発生するク
ロック回路とを備え、前記第2の論理積回路に位相弁別
回路のパルス出力とクロック回路のクロックパルスを入
力して位相計数信号を得ることを特徴とする請求項3記
載の静電センサ装置。
4. A second AND circuit and a clock circuit for generating a clock pulse having a cycle higher than the pulse output of the phase discrimination circuit, wherein the second AND circuit has a pulse output of the phase discrimination circuit. 4. The electrostatic sensor device according to claim 3, wherein a phase counting signal is obtained by inputting a clock pulse of a clock circuit.
【請求項5】 静電容量検出素子と、該静電容量検出素
子を含んだ共振回路を有する位相推移回路と、基準とな
る周波数信号を発生する主発振器と、主発信器よりも高
い周波数の周波数信号を発生する局部発信器とを備え、
前記位相推移回路は前記静電容量検出素子の静電容量変
化に応じて前記共振回路の位相変移を示す相推移推信号
を出力し、該相推移推信号及び前記局部発信器の局部信
号を第1の周波数変換回路に導き、前記主発信器の基準
信号及び前記局部発信器の局部信号を第2の周波数変換
回路に導て前記主発振器の発振周波より低い周波数に変
換し、これらの信号を位相弁別して位相変移に相当する
パルス幅を有する出力信号を得る位相弁別回路と、該パ
ルス幅出力信号をパルス数に変換するデジタル位相回路
とから構成することを特徴とする静電センサ装置。
5. A capacitance detecting element, a phase shift circuit having a resonance circuit including the capacitance detecting element, a main oscillator for generating a reference frequency signal, and a frequency higher than that of the main oscillator. With a local oscillator that generates a frequency signal,
The phase transition circuit outputs a phase transition estimation signal indicating a phase transition of the resonance circuit according to a capacitance change of the capacitance detection element, and outputs the phase transition estimation signal and the local signal of the local oscillator as a first signal. 1 frequency conversion circuit, the reference signal of the main oscillator and the local signal of the local oscillator are guided to a second frequency conversion circuit to convert to a frequency lower than the oscillation frequency of the main oscillator, and these signals An electrostatic sensor device comprising: a phase discriminating circuit for discriminating a phase to obtain an output signal having a pulse width corresponding to a phase shift; and a digital phase circuit for converting the pulse width output signal into a pulse number.
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Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006091015A (en) * 2004-09-20 2006-04-06 Muller Martini Holding Ag Method for measuring thickness of printed matter passing through measuring apparatus at predetermined intervals inside flow of conveyance line
WO2006075750A1 (en) * 2005-01-17 2006-07-20 Tohoku University Electronic device measuring method and electronic device measuring apparatus
US7119550B2 (en) 2004-05-14 2006-10-10 Fujitsu Limited Capacitance difference detecting circuit and MEMS sensor
WO2009050813A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-23 Pioneer Corporation Electrostatic capacity detection device
JP2009238226A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 General Electric Co <Ge> System and method for online phase calibration
US7670015B2 (en) 2003-09-03 2010-03-02 Fujitsu Limited Optical switch controller and movable body controller
CN101949981A (en) * 2010-09-29 2011-01-19 中国电子科技集团公司第四十九研究所 Vibration capacity type electrostatic sensor with laser positioning function
US8134376B2 (en) 2005-01-17 2012-03-13 Tohoku University Method of measuring electronic device and measuring apparatus
JP2013071516A (en) * 2011-09-27 2013-04-22 Denso Corp Vehicle presence notification apparatus
WO2015178051A1 (en) * 2014-05-23 2015-11-26 オムロン株式会社 Voltage measurement device and voltage measurement method
WO2018037463A1 (en) * 2016-08-22 2018-03-01 パイオニア株式会社 Capacitance detection device and optical wavelength-selective filter device
JP2019056570A (en) * 2017-09-19 2019-04-11 島根県 Capacitance type sensor
JP2019174414A (en) * 2018-03-29 2019-10-10 株式会社熊谷組 Method for estimating distribution of weight of luggage in warehouse
KR102514249B1 (en) * 2022-03-25 2023-03-27 주식회사 피에스디이엔지 Electrostatic Sensor and Measure Method Thereof
EP4372392A1 (en) * 2022-11-16 2024-05-22 Forschungszentrum Jülich GmbH Method and device for detecting very small capacitance variations

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8083361B2 (en) 2003-09-03 2011-12-27 Fujitsu Limited Optical switch controller and movable body controller
US7670015B2 (en) 2003-09-03 2010-03-02 Fujitsu Limited Optical switch controller and movable body controller
US7119550B2 (en) 2004-05-14 2006-10-10 Fujitsu Limited Capacitance difference detecting circuit and MEMS sensor
JP2006091015A (en) * 2004-09-20 2006-04-06 Muller Martini Holding Ag Method for measuring thickness of printed matter passing through measuring apparatus at predetermined intervals inside flow of conveyance line
WO2006075750A1 (en) * 2005-01-17 2006-07-20 Tohoku University Electronic device measuring method and electronic device measuring apparatus
US8134376B2 (en) 2005-01-17 2012-03-13 Tohoku University Method of measuring electronic device and measuring apparatus
US8253426B2 (en) 2007-10-18 2012-08-28 Pioneer Corporation Capacitance detector
JP4975824B2 (en) * 2007-10-18 2012-07-11 パイオニア株式会社 Capacitance detection device
WO2009050813A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-23 Pioneer Corporation Electrostatic capacity detection device
JP2009238226A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 General Electric Co <Ge> System and method for online phase calibration
CN101949981A (en) * 2010-09-29 2011-01-19 中国电子科技集团公司第四十九研究所 Vibration capacity type electrostatic sensor with laser positioning function
JP2013071516A (en) * 2011-09-27 2013-04-22 Denso Corp Vehicle presence notification apparatus
JP2015222238A (en) * 2014-05-23 2015-12-10 オムロン株式会社 Device and method for measuring voltage
WO2015178051A1 (en) * 2014-05-23 2015-11-26 オムロン株式会社 Voltage measurement device and voltage measurement method
WO2018037463A1 (en) * 2016-08-22 2018-03-01 パイオニア株式会社 Capacitance detection device and optical wavelength-selective filter device
JPWO2018037463A1 (en) * 2016-08-22 2019-06-20 パイオニア株式会社 Capacitance detection device and light wavelength selection filter device
US11320473B2 (en) 2016-08-22 2022-05-03 Pioneer Corporation Capacitance detection device and optical wavelength-selective filter device
JP2019056570A (en) * 2017-09-19 2019-04-11 島根県 Capacitance type sensor
JP2019174414A (en) * 2018-03-29 2019-10-10 株式会社熊谷組 Method for estimating distribution of weight of luggage in warehouse
KR102514249B1 (en) * 2022-03-25 2023-03-27 주식회사 피에스디이엔지 Electrostatic Sensor and Measure Method Thereof
EP4372392A1 (en) * 2022-11-16 2024-05-22 Forschungszentrum Jülich GmbH Method and device for detecting very small capacitance variations

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