WO2018037463A1 - 静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置 - Google Patents

静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置 Download PDF

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Abstract

静電容量検出装置は、被検体(Cx)と第1抵抗要素(R1)とが第1ノードで接続されてなる第1直列回路、及び基準静電容量要素(Cref)と第2抵抗要素(R2)とが第2ノードで接続されてなる第2直列回路が並列接続された並列回路と、並列回路に特定周波数の交流電圧(Vi)を印加する電源回路と、第1ノード及び第2ノード間に接続され、当該ノード間に生じる特定周波数の電圧の位相差を拡大するインダクタ要素(Lb)と、位相差に基づいて被検体の静電容量に応じた電気信号を出力する出力部(100)とを備える。この静電容量検出装置によれば、被検体の静電容量を好適に検出することが可能である。

Description

静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置
 本発明は、回路上の静電容量を検出する静電容量検出装置、及び該静電容量検出装置を利用した光波長選択フィルタ装置の技術分野に関する。
 この種の装置として、回路に配置された未知の静電容量を検出する装置が知られている。例えば特許文献1では、可変容量素子及び抵抗素子の直列回路と、基準値となる固定容量素子及び抵抗素子の直列回路とに、それぞれ同一周期で位相の異なる矩形波信号を印加し、それぞれの直列回路においてCRの時定数により得られる交流信号を比較し、その位相差を検出することで、可変容量素子の容量を検出する技術が開示されている。
特開2005-066045号公報 特開2009-106574号公報
 上述した特許文献1で開示されている回路は、1次RC型LPFであるため、その位相差は回路の遅延時定数τに略比例する。このような構成では、可変容量素子の容量及び固定容量素子の基準容量の差が少ない場合は、位相差が小さくなり過ぎてしまい十分な検出精度が得られないおそれがある。即ち、特許文献1に記載の技術は、静電容量の分解能が不足してしまうという技術的問題点を有している。
 本発明が解決しようとする課題には、上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、回路上の静電容量を高い精度で検出可能な静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置を提供することを課題とする。
 上記課題を解決するための静電容量検出装置は、被検体と第1抵抗要素とが第1ノードで接続されてなる第1直列回路、及び基準静電容量要素と第2抵抗要素とが第2ノードで接続されてなる第2直列回路が並列接続された並列回路と、前記並列回路に特定周波数の交流電圧を印加する電源回路と、前記第1ノード及び前記第2ノード間に接続され、当該ノード間に生じる前記特定周波数の電圧の位相差を拡大するインダクタ要素と、前記位相差に基づいて前記被検体の静電容量に応じた電気信号を出力する出力部とを備える。
 上記課題を解決するための光波長選択フィルタ装置は、抽出波長が可変の光波長選択フィルタ装置であって、上述した静電容量検出装置(その各種態様を含む)を使用して、前記被験体である対向する反射膜が設けられた基板対のそれぞれに配置された静電容量検出電極間の静電容量に応じた電気信号を出力し、該電気信号に基づいて前記反射膜間のギャップを変更する。
本実施例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。 本実施例に係る静電容量検出装置の位相差検出部の構成を示す回路図である。 第1比較例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。 第2比較例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。 本実施例及び第1比較例に係る静電容量検出装置で検出される位相差角度と静電容量との関係を示すグラフである。 本実施例及び第1比較例で検出される周波数特性を比較するグラフ(その1)である。 本実施例及び第1比較例で検出される周波数特性を比較するグラフ(その2)である。 本実施例及び第1比較例で検出される周波数特性を比較するグラフ(その3)である。 本実施例及び第1比較例で検出される周波数特性を比較するグラフ(その4)である。 容量値変更回路の構成を示す回路図である。 変形例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。 本実施例に係る光波長選択フィルタの構成を示す概略構成図である。
 <1>
 本実施形態に係る静電容量検出装置は、被検体と第1抵抗要素とが第1ノードで接続されてなる第1直列回路、及び基準静電容量要素と第2抵抗要素とが第2ノードで接続されてなる第2直列回路が並列接続された並列回路と、前記並列回路に特定周波数の交流電圧を印加する電源回路と、前記第1ノード及び前記第2ノード間に接続され、当該ノード間に生じる前記特定周波数の電圧の位相差を拡大するインダクタ要素と、前記位相差に基づいて前記被検体の静電容量に応じた電気信号を出力する出力部とを備える。
 本実施形態に係る静電容量検出装置によれば、第1ノード及び第2ノード間に生じる特定周波数の電圧の位相差に基づいて、被検体の静電容量に応じた電気信号が出力される。これにより、出力される電気信号から被検体の静電容量を検出することができる。
 本実施形態では特に、第1ノード及び第2ノード間にインダクタ要素が接続されており、第1ノード及び第2ノード間に生じる特定周波数の位相差が拡大される。これにより、位相差の大小をより正確に検出することができるようになり、電気信号によって示される静電容量の検出精度を高めることができる。
 なお、上述した位相差を拡大させる効果は、第1ノード及び第2ノードの各々にインダクタ要素を接続することでも実現できる。しかしながら、この場合にはインダクタ要素のインダクタンスが互いに等しくなることが要求され、仮にインダクタンスの値に差異が生じると、検出結果に悪影響を与える。
 しかるに本実施形態では、第1ノード及び第2ノード間にインダクタ要素が接続されている。言い換えれば、第1ノード及び第2ノードの各々に単一のインダクタ要素が接続されている。従って、インダクタンスに差異が生じることはなく、検出精度が低下してしまうことを防止できる。
 <2>
 本実施形態に係る静電容量検出装置の他の態様では、前記出力部は、前記被検体の静電容量と前記基準静電容量要素の静電容量との大小関係を示す電気信号を出力する。
 この態様によれば、被検体の静電容量と基準静電容量要素の静電容量との大小関係に基づいて、正確な静電容量を検出することができる。
 <3>
 本実施形態に係る静電容量検出装置の他の態様では、前記第1抵抗要素及び前記第2抵抗要素は、抵抗値が同一の純抵抗器であり、前記インダクタ要素は、コイル素子であり、前記基準静電容量要素は、既知の静電容量のコンデンサである。
 この態様によれば、好適に被検体の静電容量に応じた電気信号を出力することが可能である。
 <4>
 本実施形態に係る静電容量検出装置の他の態様では、前記基準静電容量要素は、静電容量の値を可変する機能を有する。
 この態様によれば、被検体の静電容量が比較的広い範囲で変動する場合に、基準静電容量要素の静電容量を、被検体の静電容量に応じた適切な値に変更することができる。
 <5>
 本実施形態に係る静電容量検出装置の他の態様では、前記被検体と電気的に並列接続され、前記第1ノードに接続される前記被検体の静電容量を等価的に増減可能とする能動回路を更に備える。
 この態様によれば、被検体の静電容量を所望の値に変更することができる。
 <6>
 本実施形態に係る光波長選択フィルタ装置は、抽出波長が可変の光波長選択フィルタ装置であって、上述した静電容量検出装置(その各種態様を含む)を使用して、前記被験体である対向する反射膜が設けられた基板対のそれぞれに配置された静電容量検出電極間の静電容量に応じた電気信号を出力し、該電気信号に基づいて前記反射膜間のギャップを変更する。
 本実施形態に係る光波長選択フィルタ装置によれば、上述した静電容量検出装置を使用することで、被検体である静電容量検出電極間の静電容量に応じた電気信号が出力される。ここで特に、静電容量検出電極間の静電容量は、反射膜間のギャップに応じて変動する。言い換えれば、静電容量検出電極間の静電容量は、反射膜間のギャップの大きさを示す値である。
 よって、電気信号が示す静電容量に応じてギャップを変更すれば、所望のギャップを好適に実現することができる。この結果、抽出波長を適切な値に調整することが可能となる。
 本実施形態に係る静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。
 以下では、静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
 <静電容量検出装置>
 まず、静電容量検出装置について説明する。本実施例に係る静電容量検出装置は、例えば光波長選択フィルタ装置における静電容量を検出可能な装置として構成される。光波長選択フィルタ装置は、例えば光の波長に対応するギャップを有する対向鏡面を有しており、そのギャップを変更することで透過波長を変更可能に構成される。ここで、対向鏡面の面積Sが一定ならば、対向鏡面を電極したキャパシタの静電容量Cとギャップdとの間には、以下の数式(1)で示す関係が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 このため、静電容量検出装置を利用して静電容量Cの値を検出することができれば、対向鏡面のギャップdの値を知ることができる。従って、ギャップdの調整等を好適に実行することが可能となる。
 なお、本実施例に係る静電容量検出装置は、光波長選択フィルタ装置とは異なる装置にも採用することが可能である。
 (装置構成)
 本実施例に係る静電容量検出装置の構成について、図1を参照して説明する。ここに図1は、本実施例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。
 図1に示すように、本実施例に係る静電容量検出装置は、抵抗R1及びキャパシタCxによって構成される1次LPFと、抵抗R2及びキャパシタCrefによって構成される1次LPFとが並列に接続されている。
 抵抗R1と抵抗R2は、それぞれ「抵抗要素」の一具体例であり、その抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。キャパシタCxは、「被検体」の一具体例であり、静電容量の値が未知である。一方、キャパシタCrefは、「基準静電容量」の一具体例であり、静電容量の値が既知である。
 抵抗R1及びキャパシタCxを接続するノードと、抵抗R2及びキャパシタCrefを接続するノードとの間には、インダクタLbが配置されている。インダクタLbは、「インダクタ要素」の一具体例である。
 並列に接続された2つの1次LPFには、それぞれ検出用信号Viが印加可能に構成されている。なお、検出用信号Viはサイン波である。抵抗R1及びキャパシタCxを接続するノード上の位相検出点A、及び抵抗R2及びキャパシタCrefを接続するノード上の位相検出点Bには、位相差検出部100が接続されており、検出用信号Viを印加した場合の位相検出点A及び位相検出点Bでの位相差が検出される構成となっている。
 ここで位相差検出部100の構成について、図2を参照して詳細に説明する。ここに図2は、本実施例に係る静電容量検出装置の位相差検出部の構成を示す回路図である。
 図2に示すように、位相差検出部100は、2個のDBM(ダブルバランスドミキサー)110及び120と、差動アンプ130とを備えて構成されている。このように構成すれば、DBM110からは、検出用信号Vi及び位相検出点Aで検出される信号VAの位相差が出力される。一方、DBM120からは、検出用信号Vi及び位相検出点Bで検出される信号VBの位相差が出力される。この結果、差動アンプ130からは、DBM110及び120の出力差から算出された信号VA及び信号VB間の位相差が出力される。
 なお、上述した位相差検出部100構成はあくまで一例であり、信号VA及び信号VBの位相差を検出できるようなものであれば、その構成は限定されない。
 (本実施例の効果)
 次に、本実施例に係る静電容量検出装置の効果について、図3及び図4に示す比較例との違いを見ながら説明する。ここに図3は、第1比較例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。また図4は、第2比較例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。
 図3に示すように、第1比較例に係る静電容量検出装置は、本実施例に係る静電容量検出装置と比べて、インダクタLbが備えられていない。第1比較例に係る静電容量検出装置では、Cx及びCrefの値が比較的小さい場合に、位相差が小さくなり過ぎてしまうことによって、静電容量を正確に検出できなくなってしまうおそれがある。即ち、第1比較例に係る静電容量検出装置は分解能が不足してしまう可能性がある。
 これに対し、本実施例に係る静電容量検出装置は、インダクタLbを備えることによって検出される位相差が拡大される。具体的には、インダクタLbと、キャパシタCx及びCrefとの間で反共振回路が形成されることにより、検出される位相差が拡大される。この結果、位相差検出感度が上がり、Cx及びCrefの差が微小な場合であっても正確にCxの値を検出することが可能となる。
 図4に示すように、第2比較例に係る静電容量検出装置は、本実施例に係る静電容量装置のインダクタLbに代えて、インダクタL1及びL2が備えられている。即ち、2つの1次LPFにそれぞれインダクタが接続されている。
 第2比較例に係る静電容量検出装置によれば、インダクタL1及びL2によって検出される位相差を拡大することができる。即ち、本実施例に係る静電容量検出装置と同様に、反共振の作用による位相差拡大を図ることができる。
 しかしながら、第2比較例に係る静電容量検出装置のような構成では、L1及びL2の値が互いに等しくなることが求められる。インダクタはその構造上、数値精度を確保するのが難しく、±10%程度のばらつきが発生し得る。そして、仮にL1とL2との間に差異が生じてしまうと、検出結果が正確なものでなくなってしまう。
 これに対し、本実施例に係る静電容量検出装置は、共通のインダクタLbが備えられている(即ち、インダクタが1つだけしか備えられていない)ため、第2比較例に係る静電容量検出装置のようにインダクタンスの差は発生し得ない。よって、極めて正確に静電容量を検出することが可能となる。
 (具体的な位相差の違い)
 次に、本実施例に係る静電容量検出装置及び第1比較例に係る静電容量検出装置で検出される位相差の違いについて、図5から図9を参照して具体的に説明する。ここに図5は本実施例及び第1比較例に係る静電容量検出装置で検出される位相差角度と静電容量との関係を示すグラフである。また図6から図9は、それぞれ本実施例及び第1比較例で検出される周波数特性を比較するグラフである。
 図3で示した第1比較例に係る静電容量検出装置の伝達関数は、以下の数式(2)及び(3)のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 なお、ωは検出用信号Viの角周波数であり、Va1及びVb1は夫々位相差検出点A及びBで検出される信号である。また、数式(2)及び(3)におけるZ表記(ZCx及びZCr)は、それぞれキャパシタCx及びCrefの複素インピーダンスであり、以下の数式(4)で示される値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 数式(2)及び(3)の伝達関数を、以下の数式(5)で示されるアドミタンスY表記に変更すると、数式(6)及び(7)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 この場合、位相差検出点Aにおける位相角θa1及び位相差検出点Bにおける位相角θb1は以下の数式(8)及び(9)によって示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 従って、第1比較例に係る静電容量検出装置で検出される位相差Δθは、以下の数式(10)で示される値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 一方、図1で示した本実施例に係る静電容量検出装置の位相差検出点A及びBでのキルヒホッフ式は、以下の数式(11)及び(12)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 なお、Va2及びVb2は夫々位相差検出点A及びBで検出される信号である。また、数式(11)及び(12)におけるZ表記(ZLb、ZCx及びZCr)は、以下の数式(13)及び(14)で示される値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 数式(11)及び(12)の連立方程式を解くと、以下の数式(15)及び(16)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 数式(15)及び(16)を、以下の数式(17)及び図18で示されるアドミタンスY表記に変更すると、数式(19)及び(20)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 数式(19)及び(20)の連立方程式を解くと、本実施例に係る静電容量検出装置の伝達関数である数式(21)及び(22)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 この場合、位相差検出点Aにおける位相角θa2及び位相差検出点Bにおける位相角θb2は以下の数式(23)及び(24)によって示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 従って、本実施例に係る静電容量検出装置で検出される位相差Δθは、以下の数式(25)で示される値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 図5において、上述したように求めた伝達関数(即ち、数式(6)及び(7)、並びに数式(21)及び(22)を利用して、検出用信号Viの周波数fiを固定して、Cxの変化に対する第1比較例及び本実施例の位相差カーブを計算すると、図のような違いが生じる。
 具体的には、図5の例では、Cref=100pF、Cx=60~140pF、R1=R2=5kΩ、Lb=1.2mH、fi=650kHzの条件下で測定を行っているが、本実施例では第1比較例の5倍近く位相差が拡大されている。ここでのfi=650kHzは、「特定周波数」の一具体例である。
 図6には、Cx=80pFとした場合に、本実施例及び第1比較例で検出される信号の位相差が示されている。周波数fiが650kHzとなる場合、第1比較例で検出される位相差は約5degであるのに対し、本実施例で検出される位相差は約22degである。
 図7には、Cx=90pFとした場合に、本実施例及び第1比較例で検出される信号の位相差が示されている。周波数fiが650kHzとなる場合、第1比較例で検出される位相差は約2degであるのに対し、本実施例で検出される位相差は約12degである。
 図8には、Cx=110pFとした場合に、本実施例及び第1比較例で検出される信号の位相差が示されている。周波数fiが650kHzとなる場合、第1比較例で検出される位相差は約2degであるのに対し、本実施例で検出される位相差は約12degである。
 図9には、Cx=120pFとした場合に、本実施例及び第1比較例で検出される信号の位相差が示されている。周波数fiが650kHzとなる場合、第1比較例で検出される位相差は約4degであるのに対し、本実施例で検出される位相差は約23degである。
 以上の結果からも分かるように、本実施例に係る静電容量検出装置では、検出される位相差が大きく拡大される。従って、仮にCxとCrefとの差がわずかな場合であっても、正確に静電容量を検出することができる。
 (インダクタLbの設定値)
 次に、本実施例に係る静電容量検出装置に備えられるインダクタLbの適切な設定値について説明する。
 上述した効果を適切に得るためには、検出用信号Viの周波数fiに対して、LbとC(CxとCrefとの直列容量)との共振周波数が一致するのが理想的である。また、測定対象であるCxの想定される範囲の中心値にCref(Cr)を定めるのが適切であるため、下記数式(26)及び(27)の条件を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 ここで、Cxの範囲の中心値をCrefとするのだから、Cx=Crであり、共振周波数を計算するためのCは、下記数式(28)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 そして、数式(26)及び(28)から適正なLbの値を求めると、下記数式(29)が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 ここで、Lbの設定余裕範囲を1/2~2に設定すると、Lbの適正範囲は、下記数式(30)になることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 (変形例)
 次に、変形例に係る静電容量検出装置について、図10及び図11を参照して説明する。ここに図10は、容量値変更回路の構成を示す回路図である。また図11は、変形例に係る静電容量検出装置の構成を示す回路図である。
 図10に示すように、キャパシタCにゲインKのアンプを接続すると、回路動作の上ではC’としてふるまうようになる。ここで、C’は下記数式(31)で示される値となる。ただし、K<1である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 よって、外部からのコントロール電圧によってゲインKを制御可能なアンプを用いれば、C’の値を所望の値に変更できる。
 図11で示される変形例に係る静電容量検出装置は、Crefが上述した容量値変更回路を含んで構成されている。このように構成すれば、Cxが比較的広い範囲で変動する場合に、Crefを、Cxに応じた適切な値に変更することができる。
 また、CrefではなくCxが容量値変更回路を含んで構成されてもよい。この場合、Cxの静電容量を所望の値に変更することができる。
 <光波長選択フィルタ>
 次に、本実施例に係る光波長選択フィルタについて、図12を参照して説明する。ここに図12は、本実施例に係る光波長選択フィルタの構成を示す概略構成図である。
 (装置構成)
 図12において、本実施例に係る光波長選択フィルタは、可変ファブリペローフィルターであり、反射膜を表面に備える一対の反射基板510及び520を透過する光の波長を、反射基板510及び520間のギャップdを調整して変更可能に構成されている。反射基板510及び520の各々には、検出用電極610及び620が設けられており、検出用電極610及び620間の静電容量を検出するために、上述した本実施例に係る静電容量検出装置が備えられている。即ち、検出用電極610及び620が、静電容量検出装置のキャパシタCxとされている。
 キャパシタCrefは、上述した容量値変更回路によって容量値が可変とされている。Crefは、ギャップ設定制御部200によって制御される。
 位相差検出部100から出力された位相差は、アクチュエータ制御部300に入力される。アクチュエータ制御部300は、入力された位相差(言い換えれば、Cxの値)に基づいて図示せぬアクチュエータを駆動する。これにより、反射基板510及び520間のギャップdが調整可能とされている。
 (動作説明)
 図12に示す光波長選択フィルタによれば、その動作時には、まずギャップ設定制御部200によって、Crefが所望のギャップd(即ち、投下させたい光の波長に対応する幅)に対応する値になるように制御される。
 次に、アクチュエータ制御部300によって、位相差検出部100の出力が、所定の範囲内に収まるように(即ち、位相差が極めてゼロに近い値となるように)ギャップdが制御される。
 すると、Cxの値がCrefの値に近づくように制御されるため、ギャップdはギャップ設定制御部200で設定された値に近づいていく。この結果、ギャップdを所望の値に制御することができる。
 以上説明したように、本実施例に係る光波長選択フィルタによれば、静電容量に基づいてギャップdを高精度で調整することができる。従って、透過する光の波長を好適に変更することができる。
 本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う静電容量検出装置及び光波長選択フィルタ装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
 100 位相差検出部
 110,120 DBM
 130 差動アンプ
 200 ギャップ設定制御部
 300 アクチュエータ制御部
 510,520 反射基板
 610,620 検出電極
 Cx,Cref キャパシタ
 R1,R2 抵抗
 Lb インダクタ
 Vi 検出用信号
 d ギャップ

Claims (6)

  1.  被検体と第1抵抗要素とが第1ノードで接続されてなる第1直列回路、及び基準静電容量要素と第2抵抗要素とが第2ノードで接続されてなる第2直列回路が並列接続された並列回路と、
     前記並列回路に特定周波数の交流電圧を印加する電源回路と、
     前記第1ノード及び前記第2ノード間に接続され、当該ノード間に生じる前記特定周波数の電圧の位相差を拡大するインダクタ要素と、
     前記位相差に基づいて前記被検体の静電容量に応じた電気信号を出力する出力部と
     を備えることを特徴とする静電容量検出装置。
  2.  前記出力部は、前記被検体の静電容量と前記基準静電容量要素の静電容量との大小関係を示す電気信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の静電容量検出装置
  3.  前記第1抵抗要素及び前記第2抵抗要素は、抵抗値が同一の純抵抗器であり、
     前記インダクタ要素は、コイル素子であり、
     前記基準静電容量要素は、既知の静電容量のコンデンサである
     ことを特徴とする請求項1又は2に記載の静電容量検出装置。
  4.  前記基準静電容量要素は、静電容量の値を可変する機能を有する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。
  5.  前記被検体と電気的に並列接続され、前記第1ノードに接続される前記被検体の静電容量を等価的に増減可能とする能動回路を更に備える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。
  6.  抽出波長が可変の光波長選択フィルタ装置であって、
     請求項1から5のいずれか一項に記載の静電容量検出装置を使用して、前記被験体である対向する反射膜が設けられた基板対のそれぞれに配置された静電容量検出電極間の静電容量に応じた電気信号を出力し、該電気信号に基づいて前記反射膜間のギャップを変更する
     ことを特徴とする光波長選択フィルタ装置。
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