JPH03163370A - 静電センサ装置 - 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、被検出体の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ものである。

〔従来の技術〕

従来からごく一般的に用いられている静電センサ装置は
、被検出体の静電容量の変化に対応させて発振回路のタ
ンク回路の静電容量を変化させ、発振周波数を変化させ
るものであるが、感度が低く、このため、近年において
はより感度の高いＲＣＡ方式（発振回路の発振周波数か
らわずかにずれた共振周波数をもった同調回路のコンデ
ンサ容量を変化させ、ＡＭ変調波を得る方式）の装置が
使用されるようになってきている。このＲＣＡ方式の静
電センサ装置は、第５図に示すように、発振回路ｌと、
同調回路２と、被検出体ｌ９との静電容量変化を検出す
る検出針等の検出電極３と、検波回路４と、増幅回路５
とからなる。前記発振回路１と同調回路２はそれぞれ別
個独立の共振器を含み、例えば、第３図に示すように、
発振回路１の固定発振周波数ｆ１に対して同調回路２の
共振周波数ｆ。をわずかにずれた位置に設定しておき、
検出重極３によって検出される微小静電容量の変化±Δ
Ｃに対応させて共振周波数をｆ０から左右にΔｒだけ偏
倚させ、前記静電容量の変化±ΔＣを同調レベル■。を
基準とした±ΔＶの電圧変化に変換し、この検出信号を
検波増幅して取り出すものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この種の静電センサ装置は感度がよすぎ
るために、被検出体ｌ９の微小静電容量の変化を検出す
る際に、環境変化等に起因する静電容量の変化に感応し
てしまうという欠点がある。

このため、被検出体Ｉ９の微小静電容量の変化の検出に
際し、被検出体１９の移動等に対して検出される静電容
量の真の検出成分ΔＣと、不要な戒分容量（以下、不要
成分容量という）ΔＣ′とが検出電極３から同調回路２
へ同時に取り込まれる場合が生じる。前記不要戒分容量
ΔＣ′は様々な要因によって生じるものであり、例えば
、ビデオディスク装置のＶＨＤ方式の場合には、検出電
極３として機能する針の交換セット時に生じる静電容量
の変動或分や、針がディスクの外側から内側に向かうに
つれて変化する針と匡体間の浮遊分布容量の変化や、個
々のディスクのブレス戒形によるバラッキによる什電容
量の変動成分や、ディスク表面の各場所ごとの静電容量
の変化等によって生じる。

また、例えば、第６図に示すように、回転軸６に歯車形
状をしたアタッチメント７を装着し、このアタッチメン
ト７の歯型に対向させて検出電極３を配置し、回転軸６
の回転検出を行うような場合には、回転軸７の偏心成分
や、歯型表面のビンホールやパリ等の微小幅の凹凸によ
る静電容量の変動成分が不要戒分容量として取り込まれ
る。

このような不要或分容量はその発生原因により異なる周
波数帯域を持っている。この不要成分容量の周波数帯域
と真の検出成分容量の周波数帯域との関係を横軸に周波
数、縦軸にゲインをとって示すと、第８図のように表す
ことができる。すなわち、真の検出或分容量の周波数帯
域ｆ８を挟んで低周波数帝域の不要成分容量Ａ１と、高
周波数帯域の不要成分容ｆｆｌ　Ａ　ｚとに分極される
。この低周波数帯域の不要成分容量としては、前記ＶＨ
Ｄ方式の針の交換セット時に発生する数１０サイクルの
直流に近い振動成分や針の移動に伴う浮遊分布容量の変
化等が該当し、また、第６図に示す回転軸６の回転検出
のような場合には、回転軸の偏心等の変化或分が該当す
る。高周波帯域の不要成分容量としては、例えば、第６
図の回転検出時に検出される前記アタッチメント７の歯
型のビンホールやハリに起因する静電容量の変動成分が
該当する。

このような不要成分容量が取り込まれると、同調回路２
の共振周波数がこの不要成分容量によって変化するが、
不要成分容量が低周波数帯域の場合には同調回路２の同
調レベルの電位が変動し、検出感度が低下してしまうと
いう問題がある（同調レベルは最も感度の高い位置に設
定されているので、同調レベルが変動すると感度が低下
する）。

また、低周波の不要成分容量が回転軸の偏心によって生
じるような場合には、第７図のように、同調レベルが低
周波の周波数をもってしまい、同調レベルが回転軸６の
偏心の周波数に対応して変動するという問題が生じる。

この場合には、その回転軸６の偏心に対応する周波数を
もった同調レベルに乗って真の検出成分容量に対応する
検出信号が同調回路２から出力されることになる。

一方、不要戒分容量が高周波数帯域の場合には、その不
要成分容量が検出信号の中にノイズとして現れる。例え
ば、前記回転検出において、歯型のピンホールやパリが
検出されると、これが第７図に示すようにノイズＰ，Ｐ
’　として現れ、検出信号のＳ／Ｎ比が悪くなるという
問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもの
であり、その目的は、不要成分容量の影響を受けて同調
レベルが変動したり、検出信号のＳ／Ｎ比が悪くなると
いうことがなく、被検出体の微小静電容量の変化を高感
度、かつ、高精度のもとで検出することが可能な静電セ
ンサ装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達戊するために、次のように構成さ
れている。すなわち、本発明の静電センサ装置は、発振
周波数信号を発振出力する発振回路と、この発振回路と
は別個独立の誘電体共振器を有し検出部で検出される外
部静電容量の変化を受けて周波数信号との同調点が変化
する同調回路と、この同調回路における誘電体共振器の
一共振要素として機能する可変容量ダイオードと、同調
回路の出力信号に含まれる指定の周波数帯域の不要信号
を選択抽出して前記可変容量ダイオードに加え検出部で
取り込まれる不要戒分容量に起因する同調回路の共振周
波数の変位を補正制御する周波数選択制御回路とを有す
ることを特徴として構成されている。

〔作用〕

本発明において、真の検出或分容量が不要成分容量と共
に同調回路に取り込まれると、真の検出成分容量と不要
或分容量はそれぞれ同調回路から電圧信号に変換されて
出力され、この出力信号の一部は周波数選択制御回路に
加えられる。周波数選択制御回路には、例えば不要成分
容量がある一定の周波数戒分を持ち、この周波数成分が
明らかな場合にはその周波数威分に合わせた低周波数帯
域と高周波数帯域との選択範囲が予め指定されており、
これらの指定された帯域の周波数成分の信号が加えられ
たときに、その信号を選択して可変容量ダイオードに加
える。したがって、上記の場合には、周波数選択制御回
路は、同調回路側から加えられる周波数信号の内から不
要或分容量に対応する周波数成分の信号を不要信号とし
て予め設定し、これを可変容量ダイオードに加えるので
ある。可変容量ダイオードは前記周波数選択制御回路か
ら加えられる不要信号を受けて同調回路の共振周波数を
不要成分容量による変化方向と逆方向に変化させる。つ
まり、外部静電容量の変化に不要成分容量を含む場合に
は、この不要或分容量によって同調回路の共振周波数が
変化するが、この不要成分容量の不要信号が周波数選択
制御回路を経て可変容量ダイオードにフィードバックさ
れ、この不要信号によって前記不要戒分容量による共振
周波数の変動が補正され、同調レベルが一定に保たれ、
かつ、ノイズ成分が除去されるのである。

〔実施例〕

以下、本発明に係る静電センサ装置の実施凱を図面に基
づいて説明する。第１図には本発明に係る静電センサ装
置の第１の実施例の回路図が示されている。本実施例の
装置は、発振回路１と、同調回路２と、検出部としての
検出電極３と、検波回路４と、増幅回路５と、バッファ
回路１４と、ＡＦＣ回路８とからなる。発振回路１には
超高周波、本実施例では０．５Ｇ｝｛ｚ〜５ＧＨｚの範
囲内の固定された一定の発振周波数を発振する誘電体共
振器（セラミック共振器）が用いられている。この発振
回路１は前記高周波の発振信号を発振し、これを同調回
路２に加える。この同調回路２は発振回路１の誘電体共
振器とは別個独立の誘電体共振器（セラξツク共振器）
によって構威され、この同調回路２には被検出体ｌ９と
の静電容量の変化を検出する検出針等からなる検出電極
３が接続されている。

検波回路４は結合コンデンサ９を介して同調回路２に接
続されており、この検波回路４はインダクタンス素子１
０と、ダイオード１１と、コンデンサ１２と、抵抗器１
３とによって構或されており、前記ダイオード１１と、
コンデンサ１２と、抵抗器１３は検波回路４の検波部を
構成している。この検波部は同調回路２から出力される
超高周波の出力信号を包絡線検波し、被検出体１９の信
号帯域の信号に変換するものである。

増幅回路５は検波回路４から加えられる信号をｎ倍に増
幅し、バッファ回路１４を介して図示されていない信号
処理部に供給するとともに、同時にＡ　Ｆ　Ｃ　（Ａｕ
ｔｏｍａｔｉｃ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ
）回路８に加える。

このＡＦＣ回路８は、周波数選択制御回路１５と、可変
容量ダイオード１６とからなり、周波数選択制御回路１
５の入力側はダイオード１７を介して前記増幅回路５の
出力端に接続されている。また、周波数選択制御回路１
５の出力側は可変容量ダイオードｌ６のカソード側に接
続されており、可変容量ダイオード１６のアノード側は
接地されている。そして、可変容量ダイオード１６のカ
ソード側は結合コンデンサ１８を介して同調回路２に接
続されており、この可変容量ダイオード１６は同調回路
（誘電体共振器）２の一共振要素として機能している。

前記周波数選択制御回路１５は同調回路２から出力され
る信号に含まれる不要信号を周波数選択により抽出する
ものであるが、本実施例では、この周波数選択制御回路
ｌ５はフィルタ回路により構威されている。このフィル
タ回路は、例えば、第２図（ａ）に示すようなローバス
フィルタや、同図（ｂ）に示すようなハイパスフィルタ
や、同図（Ｃ）に示すようなバンドパスフィルタの単独
あるいは組み合わせによって構成されるものであり、前
記ローバスフィルタは直流成分を含む低周波数帯域の不
要信号を選択的に通過させるものであり、ハイパスフィ
ルタは高周波数帯域の不要信号を選択的に通過させるも
のであり、また、バンドパスフィルタ中間周波数帯域の
不要信号を選択的に通過させて可変容量ダイオード１６
に加えるものである。本実施例ではこれらのフィルタ回
路で選択指定される不要信号は真の検出戒分容量の周波
数帯域ｆ，から外れた周波数帯域のものに限定されてい
る。

本第１の実施例は以上説明したように構威されており、
以下、その動作について説明する。

第３図に示すように、同調回路２の共振周波数（同調周
波数）　ｆｏに対して発振回路ｌの発振周波数ｆ，かわ
ずかにずれた位置に設定されている状態において、例え
ば被検出体ｌ９が動くと、検出電極３と被検出体１９と
の間に静電容量の微小変化が生じ、同調回路２の共振点
（同調点）がΔｒだけ変化する。そして、同調回路２で
は発振周波数ｆ，と同調回路２における共振周波数の変
化戒分Δｆとのかけ算が行われ、いわゆるＡＭ変調信号
が得られる。本実施例において、発振周波数を超高周波
数、例えばＩＧ｝｛ｚとすれば、変調信号はＩＧ｝｛ｚ
を中心とし、被検出体ｌ９の動きに対応した帯域幅を持
った超高周波の信号になる。

この微小静電容量の検出に際し、不要或分容量が検出さ
れると、この不要成分容量によって同調回路２の共振周
波数が変化し、不要成分容量が低周波数帯域の戒分の場
合には同調レベルの変動として現れ、また、不要成分容
量が高周波数帯域のものの場合には変調信号（検出信号
）にノイズ戒分として現れる。これら不要信号或分を含
んだ変調信号は検波回路４に加えられる。検波回路４で
はこの超高周波信号を包路線検波を行って被検出体１９
の信号帯域（本実施例では３ＭＨｚの信号）に変換する
。この・１１？域変換された信号は増幅回路５によって
ｎ倍に増幅され、その出力信号の一部はバッファ回路１
４を介して信号処理部（図示せず）に送られ、他の一部
の信号はダイオード１７を通してＡＦＣ回路８に分岐供
給される。

ＡＦＣ回路８の周波数選択制御回路１５ではこの入力さ
れてくる信号成分のうち不要或分容量に基づく不要信号
を周波数選択により抽出する。例えば、周波数選択制御
回路ｌ５がローパスフィルタにより構威されているとき
には、低周波数帯域の不要信号が抽出され、その抽出さ
れた不要信号が可変容量ダイオードＩ６に加えられる。

また、周波数選択制御回路１５がハイバスフィルタによ
り構威されているときには、高周波数帯域の不要信号が
抽出されて可変容量ダイオードｌ６に加えられるのであ
る。可変容量ダイオード１６は前記周波数選択制御回路
１５から加えられる不要信号によって静電容量を変え、
同調回路２の共振周波数を変化させる。

この共振周波数の変位方向は可変容量ダイオードＩ６が
逆バイアス状態で接続されていることから、不要戒分容
量が取り込まれることによる同調回路２の共振周波数の
変位方向と逆方向になる。つまり、検出電極３が真の検
出成分容量と共に不要戒分容量を検出した場合には、そ
の不要或分容量と逆極性の静電容量を可変容量ダイオー
ドｌ６に発生させ、前記不要戒分容量を打ち消すのであ
る。この結果、低周波数帯域の不要戒分容量により同調
レベルが変位しても、この変位は不要信号により可変容
量ダイオードｌ６で作り出される逆極性の静電容量によ
って最初に設定した正しいレベル位置に補正される。ま
た、高周波数帯域の不要成分容量が検出された場合にも
、可変容量ダイオード１６の容量変化によりこれが打ち
消される方向に作用し、変調信号に発生するノイズ或分
Ｐ，Ｐ’は効果的に取り除かれるのである。

このように、本実施例によれば、不要成分容量が検出電
極３により検出された場合においても、同調レベルの変
動がなく、また、この不要或分容量に起因して発生する
ノイズ成分を除去することが可能となり、Ｓ／Ｎ比の優
れた高感度のもとで、Ｉ　ＸＩＯ−’Ｐ　Ｆ程度の微小
静電容量の検出が可能となる。

第４図には本発明に係る静電センサ装置の第２の実施例
が示されている。この第２の実施例は、同調回路２と、
検出電極３と、検波回路４と、増幅回路５と、可変容量
ダイオード１６とからなる回路を複数並列させ、１個の
共通の発振回路１から分配抵抗器２０と結合コンデンサ
を介して各系列の同調回路２に接続している。そして、
周波数選択制御回路ｌ５の入力側は抵抗器を介して各系
列の増幅回路５の出力側に接続されており、また、周波
数選択制御回路ｌ５の出力端は対応する各系列の可変容
量ダイオード１６に加えられている。この第２の実施例
の静電センサ装置は、各系列の検出電極３から検出され
る微小一昂電容堵の検出信号を並行処理するタイプの装
置である。

この第２の実施例において、各系列の検出電極３が不要
或分容量を検出した場合には、その不要信号がそれぞれ
周波数選択制御回路１５に加えられ、周波数選択制御回
路１５で指定した周波数帯域の不要信号を対応する系列
の可変容量ダイオードｌ６に加え、前記第１の実施例と
同様に同調回路２の共振周波数の変動を袖正して、同調
レベルの安定化とノイズ成分の除去が行われるのである
。

なお、本発明は上記各実施例に限定されることはなく、
様々な実施の態様を採り得るものである。

例えば、上記実施例では、発振回路１の共振器を誘電体
共振器により構威しているが、これをストリノプライン
で構成してもよい。

〔発明の効果〕

本発明は、微小静電容量の検出に際し、求めたい検出戒
分容量と共に不要或分容量が取り込まれた場合に、この
不要戒分容量に対応する不要信号を周波数選択制御回路
を介して可変容量ダイオード側にフィードバックさせ、
不要信号に起因する同調回路の共振周波数の変化を補正
するように構威したものであるから、同調レベルの安定
化とノイズ成分の除去を図ることが可能となり、Ｓ／Ｎ
比の高い高感度の微小静電容量の検出が可能となる。

また、不要信号をフィードバックさせて共振周２波数の
補正制御を行う方式としているから、装置構或が極めて
簡易となり、装置の小型化と装置コストの低減化を大幅
に図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明に係る静電センサ装置の第１の実施例を
示す回路図、第２図は同実施例における周波数選択制御
回路の具体例を示す各種フィルタ回路の回路図、第３図
は同実施例の微小静電容量の検出動作を示す説明図、第
４図は本発明に係る静電センサ装置の第２の実施例を示
す回路図、第５図はＲＣＡ方式の一般的な静電センサ装
置を示すブロック図、第６図は静電センサ装置を用いた
回転軸の検出例を示す説明図、第７図は前記第６図の回
転検出に際し、回転軸に偏心がある場合の同調レベルと
検出信号との関係を示す説明図、第８図は静電センサ装
置の検出電極により取り込まれる検出成分容量の周波数
帯域と不要成分容量の周波数帯域との関係を示す説明図
である。 １・・・発振回路、２・・・同調回路、３・・・検出電
極、４・・・検波回路、５・・・増幅回路、６・・・回
転軸、７・・・アタッチメント、８・・・ＡＦＣ回路、
９・・・結合コンデンサ、１０・・・インダクタンス素
子、１ｌ・・・ダイオード、１２・・・コンデンサ、１
３・・・抵抗器、１４・・・バッファ回路、１５・・・
周波数選択制御回路、ｌ６・・・可変容量ダイオード、
１７・・・ダイオード、ｌ８・・・結合コンデンサ、１
９・・・被検出体、２０・・・分配抵抗器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　発振周波数信号を発振出力する発振回路と、この発振
   回路とは別個独立の誘電体共振器を有し検出部で検出さ
   れる外部静電容量の変化を受けて周波数信号との同調点
   が変化する同調回路と、この同調回路における誘電体共
   振器の一共振要素として機能する可変容量ダイオードと
   、同調回路の出力信号に含まれる指定の周波数帯域の不
   要信号を選択抽出して前記可変容量ダイオードに加え検
   出部で取り込まれる不要成分容量に起因する同調回路の
   共振周波数の変位を補正制御する周波数選択制御回路と
   を有する静電センサ装置。