JPH0943285A - 振動容量型電位計の直交変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動容量電位計において、入力した直流信号
を交流に変換する直交変換器を小型化かつ軽量化し、ま
た、電磁ノイズや熱歪みの影響を受けにくくする。 【解決手段】 上部基板７４及び下部基板７６によって
絶縁スペーサ８９を介して振動電極７８が挟持される。
振動部８６は支持部８８によって振動可能に支持され、
電磁コイル９２に一定周波数ｆの駆動信号の供給される
と、その駆動信号による周期的な磁界により振動部８６
が振動する。これにより振動電極７８を共通として２つ
構成されるコンデンサの容量比が変化することになる。
入力信号を振動電極７８に与えれば、上部電極８０と下
部電極８２との間から出力信号を取り出すことができ
る。場合によって、バイアス磁石が用いられ、あるいは
半波整流が用いられる。振動電極７８に残留磁性材料を
含ませることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は放射線検出器信号の
計測に使用される振動容量型電位計に関し、特に検出信
号を直流から交流に変換する直交変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動容量型電位計は、入力バイアス電流
がきわめて小さいことから、出力インピーダンスの高い
電離箱等の放射線検出器からの微弱な信号（電荷）を増
幅して計測する場合に使用される。その振動容量型電位
計は、取り込まれた電荷を直流から交流に変換する直交
変換器、その出力に対して同期検波を行う同期検波器、
及び、同期検波された信号の電位を測定する電位計など
で構成される。

【０００３】図９には、従来の直交変換器の断面図が示
されている。また、図１０にはその直交変換器を含む従
来の振動容量型電位計の要部構成がブロック図として示
されている。

【０００４】図９において、ステンレス製の容器１０
は、円筒形状の胴部１２、上蓋１４及び底板１６とで構
成され、その内部は気密空間とされて不活性ガスが充填
されている。底板１６の下方にはベース１８が配置さ
れ、そのベース１８上に永久磁石からなるバイアス磁石
２０及び電磁コイル２２が配置されている。これらの作
用については後述する。

【０００５】容器１０内部において、底板１６上には支
柱としてネジ２４が起立配置され、そのネジ２４によっ
て水平台２６が保持されている。ここで、ネジ２４及び
それに螺合するナットを含む高さ調整機構２８によって
水平台２６の高さは調整可能である。水平台２６上に
は、アルミナセラミックなどで構成される絶縁基板とし
ての台座３２が支柱３０によって支持固定されている。
水平台２６によって保持されたサファイアなどで構成さ
れる絶縁体３４によって、金メッキされた対向電極３６
が支持固定されている。この対向電極３６はおよそ漏斗
状の外形を有し、その先端の電極面が振動電極３８に近
接対向している。

【０００６】矩形薄板状の振動電極３８は、例えば磁性
体の表面に導電性をもたせるために金メッキを施したも
のであり、従来、その厚さは例えば０．５ｍｍで、その
一端側が保持部４１によって保持され振動自在とされて
いる。なお、その磁性体としては、強磁性体（ただし、
従来においては残留磁性を有していないもの）である例
えばニッケル材が用いられている。振動電極３８は、そ
れが振動した場合に、底壁１６の一部をなす薄い隔壁４
０及び対向電極３６に接触しないように調整される。こ
こで、対向電極３６の先端面と振動電極３８との間の距
離は、上述の高さ調整機構２８によって調整可能であ
る。隔壁４０は、ステンレス材などで構成され、その厚
さは例えば３ｍｍであり、電磁コイル２２にて発生する
電磁ノイズを低減する。

【０００７】台座３２には、この従来例において二重円
筒形状のコンデンサ４２が固定され、具体的には、コン
デンサ４２は内筒４４と外筒４６で構成される。内筒４
４は、ノイズの影響を低減するために、高抵抗値を有す
る抵抗４８を収容している。なお、図９において、５０
及び５２はサファイヤなどで構成される絶縁部材であ
る。

【０００８】以上のように、この直交変換器において
は、コンデンサ４２と、振動電極３８及び対向電極３６
からなる容量可変型のコンデンサ３９と、が並列的に接
続されている（図１０参照）。

【０００９】図９において、抵抗４８を介して対向電極
３６に電気的に接続された端子ａには、例えば電離箱か
らの電荷が取り込まれ、コンデンサ４２の外筒４６に導
電基板及び信号線を介して電気的に接続された端子ｃか
ら、出力信号が取り出される。振動電極３８には端子ｂ
が電気的に接続され、その端子ｂは例えば接地される。
また、２つの端子ｄ間には数ｋＨｚ程度の正弦波からな
る駆動信号が供給される。

【００１０】電磁コイル２２に駆動信号が供給される
と、その電磁コイル２２によって交番磁界が生じ、磁性
体で構成された振動電極３８を振動させる。この際、バ
イアス磁石２０の作用によって、振動電極３８には、交
番磁界に加えてバイアス磁界が作用することになり、そ
れら両者によって脈流的な磁界が印加される。

【００１１】いま、端子ａから電荷Ｑが取り込まれる
と、その電荷は２つのコンデンサ３９及び４２の容量比
に従って分配される。例えば、コンデンサ３９に電荷Ｑ
１が蓄積され、コンデンサ４２に電荷Ｑ２が蓄積される
（Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２）。ところが、電磁コイル２２にて発
生した交番磁界の作用によって、コンデンサ３９の電極
間距離が変化し、これによってコンデンサ３９の容量が
変化すると、その容量の変化に従って、前記電荷Ｑの分
配比率が変化することになる。そして、その変化が交流
信号として端子ｃに現れる。

【００１２】図１１にはバイアス磁界が存在しない場合
の従来の直交変換器の動作が示され、図１２にはバイア
ス磁界が存在する場合の従来の直交変換器の動作が示さ
れている。ここで、図１１及び図１２の（Ａ）には経時
的な磁界の変化が示され、（Ｂ）には振動電極３８が受
ける力の変化が示され、（Ｃ）には振動電極３８の変位
が示されている。

【００１３】図１１の（Ａ）に示すように、バイアス磁
界を存在させず、周波数ｆの交番磁界のみを発生させた
場合、図１１の（Ｂ）に示すように、その交番磁界によ
り振動電極３８が受ける力は、交番磁界が正負に極大を
とるところで引力最大となっており、すなわち電磁コイ
ルに流れる電流の絶対値に振動電極３８に対する引力が
比例する。この場合、図１１の（Ｃ）に示すように、振
動電極３８は、周波数２ｆで振動することが理解され
る。

【００１４】一方、図１２に示すように、周波数ｆの交
番磁界に一定の磁界強度を有するバイアス磁界を加えた
場合、図１２の（Ｂ）に示すように、振動電極３８は周
期的に変動する引力を受け（ただし、磁界の極性は反転
せず）、図１２の（Ｃ）に示すように、振動電極３８は
周波数ｆで振動する。つまり、バイアス磁界を加えれ
ば、振動電極３８の振動周波数を電磁コイルの駆動信号
の周波数と一致させることができる。バイアス磁界の大
きさは、図１２の（Ａ）に示すように、それが変動して
も極性が変化しないように、すなわち正側（又は負側）
のみにおいて周期的変動磁界が生じるように設定され
る。なお、駆動信号の周波数は、振動電極３８の振動周
波数が振動電極３８の共振周波数かその近傍になるよう
に設定される。

【００１５】図１０には、直交変換器５４を含む従来の
振動容量型電位計の構成が模式的に示されている。発振
器５６は、電磁コイル２２に対して周波数ｆの駆動信号
を供給するものである。上述したように、この駆動信号
によって電磁コイル２２が交番磁界を発生させ、その交
番磁界にバイアス磁石２０によるバイアス磁界を加えた
脈流磁界が図９の振動電極３８を振動させる。この振動
により、２つのコンデンサ間における容量比率が変化
し、その変化が出力信号として端子ｃに現れる。その出
力信号はＡＣ増幅器５８において増幅され、さらに分圧
器６０を介してＡＣ増幅器６２において増幅され、その
増幅された信号が同期検波器６４に送られる。

【００１６】一方、発振器５６からの駆動信号は波形整
形器６６にも供給されており、その波形整形器６６にお
いて正弦波が矩形波に変換され、検波参照信号となって
出力される。その検波参照信号は、移相器６８において
同期検波のための位相調整がなされた後、同期検波器６
４に供給される。

【００１７】同期検波器６４では、その検波参照信号が
スイッチング信号となって、ＡＣ増幅器６２から出力さ
れた信号の正負極性が判別され、検波された後の信号が
ＤＣ増幅器７０において増幅された後、次の電位計（図
示せず）へ出力される。なお、帰還素子７２を介して、
検波された信号が帰還されているが、これによって回路
の動作が安定する。

【００１８】ちなみに、バイアス磁石２０を使用しない
場合、図１１に示したように、直交変換器からの出力さ
れる信号の周波数は、駆動信号の周波数ｆに対して２ｆ
となる。それゆえ、同期検波を行うためには、発振器５
６から出力される信号の周波数を逓倍器において２倍
（２ｆ）にし、それを同期検波器６４に供給する必要が
ある。あるいは、同期検波において周波数ｆをそのまま
利用するためには、駆動信号の周波数ｆを分周器で１／
２に分周して電磁コイルに供給し、これによって周波数
ｆ／２の磁界を発生させて振動電極３８の振動周波数を
ｆにする必要がある。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の直交変換器は大型化が避けられず重くなり、すなわ
ち、その構造上から小型化・軽量化が困難であった。上
記従来の直交変換器を小型化した場合、その振動電極３
８の面積や厚さも小さくなり、振動電極３８は磁界作用
によって変位しやすくなる。その場合、磁界が強すぎる
と、振動電極３８の変形が大きくなり過ぎ、対向電極３
６などと接触してしまうか、あるいは周期的変動磁界に
したがって振動電極３８を適正に励振させることができ
なくなる。一方、それを回避するために磁界を弱める
と、振動電極３８の変位が磁界に比例しなくなってしま
う問題が生じる。つまり、従来の構造では、直交変換器
を小型化すると、振動電極３８の振動制御を適確に行う
ことができなかった。

【００２０】また、従来の直交変換器は図９に示したよ
うに複雑な構造を有しており、製造を容易にすることは
困難であった。

【００２１】さらに、従来の直交変換器では隔壁４０に
よって電磁コイル２２で生じる電磁ノイズの低減が図ら
れているが、ノイズの影響は可能な限り低減されるべき
である。

【００２２】なお、バイアス磁石２０としては、ある程
度の重量と大きさが必要であり、そのバイアス磁石２０
を排除できれば、その分だけ直交変換器の小型化を図る
ことができるが、その場合、駆動信号の周波数を２倍に
する逓倍器あるいはその周波数を１／２にする分周器が
必要となってしまう。それゆえ、そのような逓倍器又は
分周器を必要とすることなく、バイアス磁石を排除でき
る手段が望まれていた。

【００２３】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、振動容量型電位計の直交変換
器を小型化かつ軽量化することにある。

【００２４】また、本発明は、製造容易な構造をもった
直交変換器を提供することを目的とする。

【００２５】また、本発明は、電磁ノイズの影響を受け
にくい直交変換器を提供することを目的とする。

【００２６】さらに、本発明は、逓倍器又は分周器を必
要とすることなくバイアス磁石を不要にできる振動容量
型電位計を提供することを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る直交変換器は、上部電極が下面に形成
された上部基板と、前記上部電極に向く下部電極が上面
に形成された下部基板と、前記上部電極及び前記下部電
極に対して絶縁されつつそれらの間に振動可能に配置さ
れた振動電極と、前記上部基板から前記下部基板までの
積層体の上側又は下側に配置され、交番磁界を発生する
電磁コイルと、を含むことを特徴とする。

【００２８】上記構成によれば、上部電極及び下部電極
の間に振動電極が存在し、すなわちそれら３つの電極に
よって２つのコンデンサが形成される。電磁コイルに所
定周波数の駆動信号を供給すると、それによって発生し
た交番磁界の作用により、振動電極が振動し、極板間距
離の変動により上記２つのコンデンサの容量比が周期的
に変動することになる。よって、電離箱などからの信号
として電荷を振動電極に与えれば、容量比の周期的変動
に伴って上部電極及び下部電極から出力信号を取り出す
ことができる。すなわち、容量比が変動すると、２つの
コンデンサ間において電荷が移動するので、その電荷の
移動（電流）を測定し、または端子間電圧を測定すれ
ば、入力された電荷量を測定できる。ちなみに、本発明
の好適な態様においては、その出力信号は差動増幅器に
おいて差動増幅され、その後、従来同様に同期検波など
の処理が行われる。

【００２９】本発明に係る直交変換器では露光・エッチ
ング技術などを利用して各電極を形成でき、しかも各基
板を積層させるだけの構造であるので、従来に比べてそ
の製造を容易に行うことができる。また、その構造から
理解されるように、きわめて小型化・軽量化が可能であ
る。

【００３０】また、振動電極を２つの電極で挟んで２つ
のコンデンサを構成しており、すなわち構造的な対称性
がよいので、各コンデンサがノイズの影響を受けても差
動増幅によりそのノイズを相殺できる。さらに、その対
称性により温度変化による部材の歪みなど影響が生じに
くい。

【００３１】本発明の好適な態様においては、前記振動
電極は、前記上部電極及び下部電極の間に非接触で設け
られた振動部と、前記振動部の左右両側に設けられ、前
記上部基板及び前記下部基板によって絶縁スペーサを介
して挟持される一対のベース部と、前記一対のベース部
と前記振動部との間に掛け渡され、振動部を振動可能に
支持する複数の支持部と、を含むことを特徴とする。

【００３２】すなわち、固定されたベース部に対して振
動部が振動する。その場合、振動部とベース部との間に
設けられた複数の支持部は、振動部の振動を許容させつ
つ、その振動部を支持する。ここで、本発明の好適な態
様においては、４つの支持部によって振動部の四隅が支
持される。振動電極を単に１枚の電極板にすると振動困
難となって測定感度が低下するが、支持部による複数点
での支持によれば振動部の自由度を高めることができ
る。振動部の振動周波数は予め分かっているので、振動
しやすいように振動部の大きさや支持位置などを適宜調
整する。

【００３３】本発明の好適な態様においては、前記積層
体と前記電磁コイルとの間には、第１のシールド層が形
成され、前記積層体の電磁コイル配置側と反対側には、
第２のシールド層が形成され、前記電磁コイルの積層体
側と反対側には、第３のシールド層が形成される。各シ
ールド層は、電磁ノイズを低減するものであり、各シー
ルド層の電位を共通にしておけば、等電位面で内部が包
み込まれて電磁ノイズを遮断できる。

【００３４】本発明の好適な態様においては、前記積層
体のいずれかの側には、バイアス磁界を発生するバイア
ス磁石が配置される。このバイアス磁石は交番磁界に重
畳されるバイアス磁界を発生するものであり、周期検波
に当たってこのバイアス磁界によって従来同様に逓倍器
などは不要となる。

【００３５】本発明に係る直交変換器は、上部電極が下
面に形成された上部基板と前記上部電極に向く下部電極
が上面に形成された下部基板と、前記上部電極及び前記
下部電極に対して絶縁されつつそれらの間に振動可能に
配置された振動電極と、前記上部基板から前記下部基板
までの積層体の上側又は下側に配置され、交番磁界を発
生する電磁コイルと、を含み、前記振動電極は導電性及
び残留磁性を有する材料で構成されたことを特徴とす
る。

【００３６】上記構成によれば、振動電極の導電性によ
り、コンデンサとしての機能が達成され、振動電極の残
留磁性により、交番磁界によって励振がなされる。従来
においては、振動電極が強磁性体のうちで残留磁界が生
じない軟磁性体で構成されていたたが、本発明では、そ
の強磁性体のうちで残留磁界が生じる硬磁性体を積極的
に利用するものである。かかる構成によって、交番磁界
の極性に応じて振動変位の方向が変化することになり、
駆動信号の周波数と同じ周波数で振動電極を振動させる
ことができる。すなわち、引力と斥力の両方を振動電極
に作用させて、駆動信号と振動電極の変位を一致させる
ことができる。よって、従来のようなバイアス磁石を必
要とせず、また逓倍器などを不要にできる。

【００３７】本発明の好適な態様においては、前記振動
電極は、導電性材料層と残留磁性材料層とが積層されて
なり、また、前記振動電極は、導電性材料と残留磁性材
料との混合体（例えば、合金）である。

【００３８】また、本発明の好適な態様においては、前
記振動電極は、残留磁性材料としての磁石そのものを含
む。磁石片は、従来のバイアス磁石とは異なり、電磁コ
イルの磁界に対して振動電極に引力のほかに斥力を生じ
させるもので、電磁コイルによる磁界の極性に振動電極
の変位極性を一致させるものである。

【００３９】本発明に係る直交変換器は、上部電極と下
部電極との間に配置された振動電極を電磁コイルの交番
磁界によって振動させ、入力信号を振動電極に与えて、
上部電極及び下部電極から出力信号を取り出す直交変換
器と、前記出力信号を差動増幅する差動増幅器と、所定
周波数ｆの駆動信号を発生する発振器と、前記駆動信号
を半波整流し、その半波駆動信号を前記電磁コイルに供
給する半波整流器と、前記差動増幅器からの信号に対
し、前記駆動信号の所定周波数ｆを利用して同期検波を
行う同期検波器と、を含むことを特徴とする。

【００４０】上記構成によれば、電磁コイルによって周
期的変動磁界が生じ、その磁界の作用により振動電極が
振動する。この場合、電磁コイルに供給される信号は、
発振器から出力された所定周波数ｆの駆動信号を半波整
流したものである。すなわち、正側又は負側のいずれか
一方の半周期がカットされた半波駆動信号が電磁コイル
に供給される。この半波駆動信号の基本周波数はｆであ
るが、半波整流によるｆ／２成分を利用して振動電極を
励振させることができ、振動電極の振動周波数は半波整
流を行わない場合に比べて１／２となる。それゆえ、駆
動信号の周波数ｆをそのまま利用して同期検波を行うこ
とができ、逓倍器や分周器は不要となる。本発明の好適
な態様においては、前記半波整流器はダイオードで構成
される。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づいて説明する。

【００４２】図１には、本発明に係る直交変換器の分解
斜視図が示されている。この直交変換器は、本発明に係
る振動容量型電位計に用いられるものであり、入力され
た直流の信号を交流に変換して出力するものである。

【００４３】図１において、この直交変換器は、上部基
板７４と、下部基板７６とを含む。それらの基板の間に
は、振動電極７８が設けられている。上部基板７４の下
面側には、上部電極８０が形成されており、一方、下部
基板７６の上面側には下部電極８２が形成されている。
上部基板７４及び下部基板７６は、絶縁材料としての石
英ガラスなどで構成され、その他に例えばセラミックや
サファイヤなどの高絶縁材料で構成してもよい。上部電
極８０及び下部電極７６は、基板に対してクロム金属や
金などを真空蒸着したものとして構成され、その製造に
おいては、例えば露光・エッチング技術が適用される。
上部基板７４及び下部基板７６の厚さは例えば０．２ｍ
ｍである。上部電極８０及び下部電極８２の電極として
矩形の有効部分は例えば２ｍｍ×２ｍｍである。その有
効部分には、基板の端部に向かって引出領域が形成さ
れ、その引出領域の一部分にリード線が接続される。

【００４４】振動電極７８は、図１に示されるように全
体としてＨ型をなしており、その振動電極７８は、具体
的にはベース部８４、振動部８６及び支持部８８で構成
される。ベース部８４は、絶縁スペーサ８９を介して、
上部基板７４及び下部基板７６の端部によって挟持され
る部分である。すなわち、絶縁スペーサ８９は、ベース
部８４と上部電極８０の端部との間に配設され、またベ
ース部８４と下部電極８２の端部との間にも絶縁スペー
サ８９が配設されている。図１においては、左右の絶縁
スペーサ８９のうち一方のみが図示されている。この絶
縁スペーサ８９は高絶縁性の材料で構成され、例えば石
英ガラスなどにより構成される。この絶縁スペーサ８９
の絶縁抵抗を高めることによって、直交変換器の入力イ
ンピーダンスをより引き上げることができる。ここで、
絶縁スペーサ８９の厚さは例えば０．０７ｍｍである。

【００４５】振動部８６は、上述した上部電極８０及び
下部電極８２の有効部分と同一の矩形状を有しており、
その４つの隅が支持部８８によって支持されている。す
なわち、この支持部８８は、ベース部８４と振動部８６
との間に掛け渡され、ベース８４に対して振動部８６を
振動可能に支持するものである。本実施形態では、振動
部８６の４つの隅が支持部８８によって支持されている
が、振動部８６の振動を妨げない限りにおいて更に多く
の支持部８８によって振動部８６を支持してもよい。本
実施形態では、４つの支持部８８によって振動部８６の
４つの隅を支持したため、振動部８６の振動を最大限許
容しつつその支持を確実に行うことができる。

【００４６】本実施形態において、この振動電極７８は
例えば０．１ｍｍの厚さを有し、それは印刷技術などを
用いて形成することができる。すなわち、本実施形態の
振動電極７８は一体形成されている。この図１に示す振
動電極７８は、導電性を有する強磁性体であるニッケル
板が用いられている。その他の強磁性材料を用いること
もできるが、導電性の低い材料の場合にはその振動電極
７８の表面を金やアルミニウムなどの導電性材料でコー
ティングすることもできる。なお、本実施形態のように
振動電極７８の全体を磁性材料で構成せずに、少なくと
も振動部８６を磁性材料で構成することもできる。

【００４７】本実施形態では、振動電極７８が残留磁性
を有しない軟磁性体としてのニッケルで構成されている
ため、同期検波に当たって駆動信号の周波数と異なる周
波数の信号が必要となる。しかしながら、上部基板７４
〜下部基板７６で構成される積層体の近傍にバイアス磁
石（図示せず）を設ければ２種類の周波数を用意する必
要がなく、逓倍器や分周器を用いる必要がなくなる。

【００４８】上記の積層体の下側には、本実施形態にお
いてコイル収容層９０が設けられている。なお、コイル
収容層９０は、エポキシ樹脂などで構成される。このコ
イル収容層は、例えば１．５ｍｍの厚さを有し、その中
央部に電磁コイル９２を収容する収容室９４が形成され
ている。すなわち、平板状のコイル収容層９０の中央部
に円形の孔としての収容室９４を形成して、その収容室
９４内に電磁コイル９２が埋設されている。この電磁コ
イル９２は、振動電極７８、具体的には、振動電極７８
の振動部８６を周期的に振動させるためのものである。

【００４９】下部基板７６とコイル収容層９０との間に
はシールド層９６が形成されている。このシールド層９
６は下部基板７６の下面側にアルミニウムを真空蒸着し
たものであり、そのシールド層９６は、本実施形態にお
いて接地されている。しかしながら、そのシールド層９
６を接地せずに一定の電位としてもよい。このシールド
層９６によって電磁コイル９２にて発生する電磁ノイズ
による振動電極７８への影響を遮断・軽減することが可
能となる。

【００５０】また、上部基板７４の上面側には、上述同
様にアルミニウムの真空蒸着によってシールド層９８が
形成されており、さらに、コイル収容層９０の下面側に
もアルミニウムの真空蒸着によるシールド層１００が形
成されている。これらの各シールド層９６，９８，１０
０は、いずれも本実施形態において接地されているが、
それらを同じ電位にしても同様の効果を得られる。つま
り、積層体を等電位面で包んでかつ電磁コイル９２の周
囲を等電位面で包んでその電磁コイル９２からの電磁ノ
イズあるいは外来の電磁ノイズを遮断できる。

【００５１】図１に示した直交変換器の大きさは横幅が
４ｍｍで、奥行きが６ｍｍであり、またその高さは２ｍ
ｍである。この直交変換器は、ケース１０２内に収容さ
れ、そのケース１０２内は気密空間とされ、不活性ガス
が充填される。

【００５２】この直交変換器を電離箱からの信号の計測
に用いる場合には、入力信号（電荷）が振動電極７８に
供給され、一方、上部電極８０と下部電極８２との間か
ら出力信号が取り出される。その計測の際には、上述し
たように電磁コイル９２に駆動信号が供給され、振動部
８６が一定の周期で励振される。

【００５３】図１に示した直交変換器によれば、２つの
基板７４，７６で振動電極７８を挟んだ構造を有してい
るので、図１に示した従来例に比べて小型化・軽量化を
図ることができる。また、露光やエッチング技術などに
よって各電極を形成できるので、その製造も容易であ
る。さらに、振動電極７８を中心として積層体が対称に
構成されているため、仮に外来ノイズが侵入しても出力
信号においてそのノイズは差動増幅により基本的に相殺
されることになり、測定感度を従来より高めることがで
きる。また、このような対称性によって温度変化による
歪みなどが各電極に生じても、その歪みによる影響を極
力抑えることができる。

【００５４】次に図２を用いてこの直交変換器を用いた
振動容量型電位計の全体構成について説明する。

【００５５】図２において、直交変換器１０４では、上
部電極８０と振動電極７８により第１のコンデンサ１０
６が形成され、下部電極８２と振動電極７８によって第
２のコンデンサ１０８が形成される。

【００５６】発振器１１０は、一定周波数ｆの駆動信号
を電磁コイル９２に出力するものであり、その駆動信号
は、分岐されて波形整形器１１２にも出力されている。

【００５７】電磁コイル９２に駆動信号が供給される
と、周波数ｆで変動する磁界が発生し、これによって振
動電極７８は、磁界の強さの絶対値に比例した引力を受
け、周波数２ｆで振動する。この場合、入力端子から電
荷が振動電極に与えられると、各コンデンサ１０６及び
１０８の容量比に応じて、各コンデンサ１０６，１０８
にチャージされる電荷量の比率が異なることになり、上
部電極８０及び下部電極８２の間に電流が流れる。すな
わち、電位差が生じる。差動増幅器１１４は、直交変換
器１０４からの出力信号に対して差動増幅を行い、その
差動増幅器１１４の出力信号がＡＣ増幅器１１７で増幅
された後に同期検波器１１８に入力される。

【００５８】一方、波形整形器１１２では、発振器１１
０から出力された駆動信号としての正弦波を同期検波器
１１８のスイッチングのために矩形波に変形してその矩
形波を逓倍器１１３に送る。逓倍器１１３は、その矩形
波信号の周波数を２倍にして、すなわち周波数を２ｆに
して検波参照信号を形成し移相器１１６を介してその検
波参照信号が同期検波器１１８に送られる。ここで、移
相器１１６は同期検波のための位相調整を行うものであ
る。ちなみに、図２に示す回路においてはパルス幅調整
器が示されていないが、同期検波を適正に行うためにパ
ルス幅の調整が必要な場合にはそのような回路を設け
る。

【００５９】同期検波器１１８では、直交変換器１０４
から出力された周波数２ｆの信号に対して周波数２ｆの
検波参照信号を参照しながら同期検波を行い、検波後の
検波信号をＤＣ増幅器１２０に出力する。その検波信号
はＤＣ増幅器１２０にて増幅され、次の電位計などに出
力される。なお、従来同様、回路を安定に動作させるた
めに帰還素子１２２が設けられている。

【００６０】以上のように、この振動容量型電位計の回
路構成では、バイアス磁石が設けられていないため、発
振器１１０にて発生した信号の周波数が逓倍器１１３に
おいて２倍にされ、同期検波にその信号が用いられてい
る。図に示した構成では、逓倍器１１３を設けたが、発
振器１１０と電磁コイル９２との間に周波数を１／２に
する分周器を設けても図２と同様に同期検波を確立でき
る。もちろん、直交変換器１０４にバイアス磁石を設け
ることによって、図２に示した逓倍器１１３を使用する
必要はなくなる。

【００６１】図３には、差動増幅器１１４の具体的な構
成が示されている。この差動増幅器は、差動増幅を行う
３つのオペアンプ１２４，１２６，１２８で構成される
ものである。

【００６２】図４には、バイアス磁石も逓倍器（または
分周器）も必要としない回路構成が示されている。な
お、図２に示した構成と同一の構成には同一符号を付け
その説明を省略する。

【００６３】図４において、発振器１１０から出力され
た駆動信号は半波整流器１３０によって半波整流された
後、電磁コイル９２に供給されている。一方、発振器１
１０から出力された駆動信号は、図２に示した構成同様
に波形整形器１１２に送られている。そして、その波形
整形器１１２にて矩形波に変換された信号は逓倍器を通
過することなくそのまま移相器１１６を介して同期検波
器１１８に送られている。すなわち、周波数ｆの検波参
照信号が参照信号として利用されている。

【００６４】図５には、図４に示した直交変換器１０４
の動作が示されている。（Ａ）は、磁界の変化を示した
ものであり、（Ｂ）は振動電極７８が受ける力を示した
ものであり、（Ｃ）は振動電極７８の変位を示したもの
である。

【００６５】図５（Ａ）に示されるように、半波整流器
１３０によって半波整流された駆動信号が電磁コイル９
２に供給されると、経時的にみて正弦波の下側（または
上側）の波を削った磁界が生ずる。この磁界により
（Ｂ）に示すように振動電極７８は、半周期ごとに引力
を受けることになり、この引力と振動電極の屈曲に対す
る反発復元力とにより、図５（Ｃ）に示すように、振動
電極は一定の周期で振動することになる。すなわち、図
４に示した半波整流によれば、周波数ｆの駆動信号のう
ち半波整流によるｆ／２の成分で振動電極７８を駆動す
ることが可能となり、その結果、振動電極７８の振動周
波数をｆにすることができる。よって、同期検波器１１
８では、直交変換器１０４からの信号の周波数はｆとな
り、発振器１１０で発生した駆動信号の周波数ｆをその
まま使用することができる。従って、逓倍器や分周器な
どは必要でない。

【００６６】図４に示されるように、半波整流器１３０
は１個のダイオードで構成することができ、極めて簡易
な構成によってバイアス磁石あるいは逓倍器などを排除
することが可能になる。バイアス磁石を除去できれば、
直交変換器を更に小型化することが可能となる。なお、
この半波整流によると、正弦波を利用した場合に比べ効
率が７０％程度に低下する。このため、用途に応じて半
波整流を採用すればよい。

【００６７】図６には、バイアス磁石も逓倍器などもい
ずれも必要としない他の実施形態が示されている。この
実施形態では、振動電極７９が導電性材料及び残留磁性
材料で構成される。図６（Ａ）に示す例では、振動電極
７９が導電性材料１３２からなる層と残留磁性材料１３
４からなる層とを積層させて構成されている。導電性材
料１３２は、コンデンサの電極として機能し、残留磁性
材料１３４は電磁コイル９２により発生される磁界によ
って振動電極７９を振動させる作用を有する。

【００６８】しかしながら、従来の単なる強磁性材料と
は異なり、この実施形態の振動電極７９は、既に磁化さ
れた残留磁性材料１３４が用いられているため、電磁コ
イル９２の周期的に変動する磁界に対して残留磁性材料
１３４は引力と斥力とを生じさせることになる。すなわ
ち、従来例及び図１に示した実施形態においては、振動
電極７９が磁界の極性にかかわらず磁界の大きさに比例
して引力を生じていたが、この実施形態によれば、磁界
の極性によって引力と斥力とを生じさせることができ
る。従って、駆動信号の周波数と同一周波数で振動電極
７９を振動させることが可能となる。それゆえ、同期検
波に当たってバイアス磁石あるいは逓倍器などが不要と
なる。なお、残留磁性材料１３４の磁化は垂直方向にな
される。

【００６９】図６（Ｂ）には、振動電極７９を導電性材
料１３２と残留磁性材料１３４の合金として構成した場
合の例が示されている。このような構成によっても図６
（Ａ）と同様の作用を得ることができる。図６（Ｃ）に
は、振動電極７９として、導電性材料１３２に残留磁性
材料としての磁石片１３６を接合させたものが示されて
いる。この磁石片１３６は、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示
す残留磁性材料１３４と同様に機能し、すなわち電磁コ
イル９２にて発生される磁界に対して引力及び斥力を発
生させるものである。従って、この磁石片１３６はバイ
アス磁石とは異なる機能を有するものである。図６
（Ｃ）に示す例では、導電性材料１３２の裏側に磁石片
１３６を接合させたが、もちろん（Ａ）に示すように層
状に構成してもよい。図７には、以上のような残留磁性
型振動電極７９を用いた振動容量型電位計の全体構成が
示されている。ここで、図２に示した構成と同一の構成
には同一符号が付されている。

【００７０】図８には、図６に示した各構成例における
直交変換器の動作が示されている。ここで（Ａ）には、
電磁コイル９２にて発生される磁界の変動が示され、
（Ｂ）には、その磁界によって、振動電極７８が受ける
力が示され、（Ｃ）にはその力によって生ずる振動電極
の変位が示されている。

【００７１】この図８に示されるように、電磁コイル９
２にて生ずる磁界の振動周波数と振動電極７８の振動周
波数とを一致させることができ、上述したようにバイア
ス磁石あるいは逓倍器などが不要となる。

【００７２】なお、上記の残留磁性材料１３４としては
例えばニッケル系、コバルト系などの永久磁石の材料が
あげられる。

【００７３】以上説明したように、本発明に係る直交変
換器によれば、小型化・軽量化が可能であり、またその
製造が容易であるという利点を有する。さらに、対称性
がよいので電磁ノイズや熱的歪みなどの影響を受けにく
い利点がある。また、上記の半波整流を利用することに
よって、あるいは振動電極に残留磁性材料を含ませるこ
とによって電磁コイル９２にて発生させる振動周波数と
振動電極７８の振動周波数とを一致させることができ、
同期検波に当たってバイアス磁石あるいは逓倍器などが
不要となる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型かつ軽量で製造容易な構造を持った直交変換器を提
供することができる。また、本発明によれば、電磁ノイ
ズや熱的歪みの影響を受けにくい直交変換器を提供でき
る。さらに本発明によれば逓倍器又は分周器を必要とす
ることなくバイアス磁石を不要にできる振動容量型電位
計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る直交変換器の構成を示す分解斜
視図である。

【図２】 本発明に係る振動量型電位計の全体構成を示
すブロック図である。

【図３】 差動増幅器の具体的な構成を示す回路図であ
る。

【図４】 半波整流を利用した回路構成例を示す図であ
る。

【図５】 図４に示す回路構成例での直交変換器の動作
を示す図である。

【図６】 振動電極に残留磁性材料を含ませた実施形態
を示す図である。

【図７】 振動電極として図６に示した残留磁性型の振
動電極を用いた場合の回路構成例を示す図である。

【図８】 図７に示す構成例における直交変換器の動作
を示す図である。

【図９】 従来の直交変換器の断面図である。

【図１０】 従来の振動容量型電位計の構成例を示す図
である。

【図１１】 バイアス磁石を用いない場合の直交変換器
の動作を示す図である。

【図１２】 バイアス磁石を用いた場合の直交変換器の
動作を示す図である。

【符号の説明】

７４ 上部基板、７６ 下部基板、８０ 上部電極、８
２ 下部電極、７８振動電極、９２ 電磁コイル、１０
４ 直交変換器、１１０ 発振器、１１４差動増幅器、
１１８ 同期検波器。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部電極が下面に形成された上部基板
   と、 前記上部電極に向く下部電極が上面に形成された下部基
   板と、 前記上部電極及び前記下部電極に対して絶縁されつつそ
   れらの間に振動可能に配置された振動電極と、 前記上部基板から前記下部基板までの積層体の上側又は
   下側に配置され、交番磁界を発生する電磁コイルと、 を含むことを特徴とする振動容量型電位計の直交変換
   器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の直交変換器において、 前記振動電極は、 前記上部電極及び下部電極の間に非接触で設けられた振
   動部と、 前記振動部の左右両側に設けられ、前記上部基板及び前
   記下部基板によって絶縁スペーサを介して挟持される一
   対のベース部と、 前記一対のベース部と前記振動部との間に掛け渡され、
   振動部を振動可能に支持する複数の支持部と、 を含むことを特徴とする振動容量型電位計の直交変換
   器。
3. 【請求項３】 請求項１記載の直交変換器において、前
   記積層体と前記電磁コイルとの間には、第１のシールド
   層が形成されたことを特徴とする振動容量型電位計の直
   交変換器。
4. 【請求項４】 請求項１記載の直交変換器において、 前記積層体の電磁コイル配置側と反対側には、第２のシ
   ールド層が形成されたことを特徴とする振動容量型電位
   計の直交変換器。
5. 【請求項５】 請求項１記載の直交変換器において、 前記電磁コイルの積層体側と反対側には、第３のシール
   ド層が形成されたことを特徴とする振動容量型電位計の
   直交変換器。
6. 【請求項６】 請求項１記載の直交変換器において、 前記積層体のいずれかの側には、バイアス磁界を発生す
   るバイアス磁石が配置されたことを特徴とする振動容量
   型電位計の直交変換器。
7. 【請求項７】 上部電極が下面に形成された上部基板
   と、 前記上部電極に向く下部電極が上面に形成された下部基
   板と、 前記上部電極及び前記下部電極に対して絶縁されつつそ
   れらの間に振動可能に配置された振動電極と、 前記上部基板から前記下部基板までの積層体の上側又は
   下側に配置され、交番磁界を発生する電磁コイルと、 を含み、 前記振動電極は導電性及び残留磁性を有する材料で構成
   されたことを特徴とする振動容量型電位計の直交変換
   器。
8. 【請求項８】 請求項７記載の直交変換器において、 前記振動電極は、導電性材料層と残留磁性材料層とが積
   層されてなることを特徴とする振動容量型電位計の直交
   変換器。
9. 【請求項９】 請求項７記載の直交変換器において、 前記振動電極は、導電性材料と残留磁性材料の混合体で
   あることを特徴とする振動容量型電位計の直交変換器。
10. 【請求項１０】 請求項７記載の直交変換器において、 前記振動電極には前記残留磁性材料としての磁石片が接
    合されたことを特徴とする振動容量型電位計の直交変換
    器。
11. 【請求項１１】 上部電極と下部電極との間に配置され
    た振動電極を電磁コイルにて発生される周期的変動磁界
    によって振動させ、入力信号を振動電極に与えて、上部
    電極及び下部電極から出力信号を取り出す直交変換器
    と、 前記出力信号を差動増幅する差動増幅器と、 所定周波数ｆの駆動信号を発生する発振器と、 前記駆動信号を半波整流し、その半波駆動信号を前記電
    磁コイルに供給する半波整流器と、 前記差動増幅器からの信号に対し、前記駆動信号の所定
    周波数ｆを利用して同期検波を行う同期検波器と、 を含むことを特徴とする振動容量型電位計。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の振動容量電位計にお
    いて、 前記半波整流器は、ダイオードで構成されたことを特徴
    とする振動容量型電位計。