JPH0371054A - 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〕 来光りｊは、被検出体と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
、発振回路のタンク回路に用いられている静電容量を外
部静電容量の変化として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れずか
にずれた共振周波数をもった共振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方弐の静電センサ装
置は、第６図に示すように、発振回路部ｌと、共振回路
２と、被検出体との静電容量変化を検出する検出部３と
、検波部４と、増幅回路５とからなる。前記発振回路部
１と共振回路２ばそれぞれ共振器を含み、例えば、第７
図に示すように、発振回路部ｌの固定発振周波数ｆｌに
対して共振回路２の共振周波数ｆｏをわずかにずれた位
置に設定しておき、検出部３によって検出される微小静
電容量の変化ΔＣに対応させて共振周波数をｆｏからΔ
ｆだけ偏倚させ、前記静電容量の変化ΔＣを出力電圧Δ
Ｖの変化として共振回路２から出力させ、これを検波部
４と増幅回路５で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］ 本発明者等は、共振回路２の共振器の周りの回路を高イ
ンピーダンス化回路とすることにより、微小静電容量の
検出感度を高めることができることに着目し、高感度の
静電センサ装置の開発に成功した。

しかしながら、この高感度の開発装置にあっても、被検
出体のインピーダンスやＱが低い場合、例えば、人体や
水中のイオン成分を検出しようとすると、これらの被検
出体のインピーダンスが低いために検出部３における被
検出体検出用電極と共振器が直接結合されていると共振
回路２の共振器のＱを著しく低下させてしまい、このＱ
の大きさに出力電圧が依存するＲＣＡ方式の静電センサ
装置においては、この検出出力の大幅な低下のため、検
出能が低下して使用に耐えなくなるという問題があった
。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり
、その目的は、インピーダンスやＱが低い被検出体との
微小静電容量の検出に際しても、共振回路の共振器のＱ
の低下を招くことがない高感度の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成するために、次のように構成さ
れている。すなわち、本発明は、発振周波数信号を出力
する発振回路部と、被検出体との静電容量変化を検出す
る検出部と、この検出部で検出される静電容量の微小変
化で共振周波数が変化する共振回路とを有する静電セン
サ装置において、前記検出部と共振回路との間には検出
部で検出される静電容量の変化をインダクタンスの変化
に変換して共振回路に伝えるＣ−Ｌ変換回路が介設され
ていることを特徴として構成されており、また、発振回
路部の発振器と、共振回路の共振器とはともにセラミッ
ク共振器により構成されていることも本発明の特徴的な
構成としており、さらに、上記共振回路又はＣ−Ｌ変換
回路には発振回路部の発振周波数と共振回路の共振周波
数との同調点を安定化させる安定化制御回路が接続され
ている構成も、併せて本発明の特徴的な構成としている
。

〔作用］ 本発明では、検出部によって被検出体との微小静電容量
の変化を検出すると、この微小静電容量ノ変化はＣ−Ｌ
変換回路によってインピーダンスへの変換が行われる。

このインピーダンスの変換はインダクタンスの変換とし
て行われ、このインダクタンスの変化が共振回路の共振
器に加えられる。

このように本発明では、検出される微小静電容量の変化
がＣ−Ｌのインピーダンス変換回路によりインダクタン
スの変化に変換されるので、被検出体のインピーダンス
やＱが低い場合においても、これが共振回路の共振器の
Ｑを低下させる要因として作用することはなく、共振回
路から静電容量の変化に対応する高出力の検出信号が取
り出されるのである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説ｊ９Ｊする
。第１図には本発明に係る静電センサ装置の一実施例の
回路図が示されている。本実施例の装置は、発振回路部
ｌと、高インピーダンス変換回路６と、セラミック共振
器１２からなる共振回路２と、Ｃ−Ｌ変換回路７と、検
波部４と、増幅回路５と、安定化制御回路としてのＡＦ
Ｃ回路８とからなる。この第１図で１１ｇ１密に考えれ
ば、共振回路２はセラ〔ツク共振器１２とＣ−Ｌ変換回
路７によって構成されるものとして考えることもできる
が、本明細書では共振回路２はＣ−Ｌ変換回路７を除い
たセラミック共振器１２のみによって構成されるものと
して話を進めている。なお、これら第１図の回路中道三
角形の記号の頭部は接地点を示している。

前記発振回路部１は周知の回路であり、本実施例では、
この回路の共振器には超高周波、本実施例ではＩＣ）（
ｚ〜１０　Ｇ　Ｈｚの範囲内で固定された一定の発振周
波数を発振するセラミック共振器１０が用いられている
。この発振回路部１は前記高周波の発振信号を発振し、
これを高インピーダンス変換回路６を介して共振回路２
に加える。この共振回路２のセラミック共振器１２は第
４図に示すような周波数特性を有しており、このセラミ
ック共振器１２の共振周波数ｆｏに対して発振回路部ｌ
の発振周波数ｒｌはわずかにずらした位置に設定される
。この発振周波数ｒｌの設定方式としては、発振周波数
をセラミック共振器１２の共振周波数ｆｏの右側の周波
数ｆ２の位置に設定するいわゆるアップポーチ方式と共
振周波数ｆ。よりも左側の周波数ｆｏの位置に設定する
ハックポーチ方式とがあり、仕様に応しそのいずれかの
方式が採用されるが、本実施例の説明では、説明の都合
上、ハックポーチ方式の場合で説明する。

このセラミック共振器１２にばＣ−Ｌ変換回路７を介し
て検出部３が接続されている。そして、この検出部３に
は被検出体との静電容量の変化を検出する板、針、イオ
ン電極、絶縁被覆電極、熱遮断電極等の所望の電極が接
続されている。

前記Ｃ−Ｌ変換回路７はホール素子、導波管等の素子や
非相反回路を用いたインピーダンスジャイレータによっ
て構成できるものであり、その回路の一例が第２図に示
されている。この第２図の回路はトランジスタジャイレ
ータと呼ばれるもので、３個の１−ランジスタ１／１，
１５．１６と抵抗器との組み合わせによって構成されて
おり、その入力側はセラミック共振器１２側に接続され
、出力側は検出部３側に接続されている。このインピー
ダンスジャイレータはインピーダンス反転作用を行い、
出力側から見た静電容量変化を入力側から見てインダク
タンスの変化に変換するものである。

一般に、セラミック誘電体はＱが高く　（大きく）、共
振回路の共振器をセラミック共振器１０゜１２によって
構成することにより、高い検出感度を期待できるのであ
るが、セラくツク共振器１２と発循回路部１とを直接接
続すると、発振回路部１のインピーダンスがセラミック
共振器１２の動作点でのインピーダンスよりも低いため
、セラミック共振器１２のＱが低下してしまい、共振点
（同調点）での出力電圧が低くなってセラミック共振器
１２の本来の性能（Ｑが高いという性能）を十分に発揮
できなくなるという問題が生じる。このような問題を解
消するために、本実施例では、発振回路部１と共振回路
２との間に高インピーダンス変換回路６を介設している
。この高インピーダンス変換回路６はトランジスタ１３
と、抵抗器、コンデンサ等の回路素子を結合して高イン
ピーダンス回路として構成されており、トランジスタ１
３はエミッタホロワ接続でセラミック共振器１２に高イ
ンピーダンスを付加するとともに、セラミック共振器Ｉ
　Ｑ　（ｊｌの発振回路部１とセラくツク共振器１２側
の共振回路２との相互干渉を遮断している。

検波部４は結合コンデンサ２５を介してセラミンク共振
器１２に接続されており、この検波部４はインダクタン
ス素子２１と、ダイオード２２と、コンデンサ２３と、
抵抗器２４とによって構成されており、前記セラミック
共振器１２からの出力信号は結合コンデンサ２５を介し
て検波部４に加えられるようになっている。前記ダイオ
ード２２と、コンデンサ２３と、抵抗器２４は検波回路
を構成するが、本実施例ではこのダイオード２２の動作
点はＯ電圧よりも負側に十分深くバイアス点が設定され
ている。前記検波回路はセラミック共振器１２から出ノ
ノされる超高周波の出力信号（画像信号）を包絡線検波
し、被検出体の信号帯域の信号に変換するものである。

このように、検波回路はセラミック共振２ｉ１２からの
超高周波信号を検波するが、このとき、ダイオード２２
の特性インピーダンスを考察すれば、このダイオード２
２の順方向のインピーダンスがセラミック共振器１２に
大きな影響を与え、このダイオード２２を直接共振器１
２に接続すると共振器１２のＱが低下するという不都合
が生しる。この不都合を防止するために、前記インダク
タンス素子２１がダイオード２２のアノード側に接続さ
れている。つまり、コンデンサ２５とこのインダクタン
ス素子２１は高イ０ ンビーダンス化回路として機能する。

増幅回路５はトランジスタ２７と抵抗器等の素子を用い
て構成され、この増幅回路５は検波部４から加えられる
信号を増幅し図示されていない信号処理回路に供給する
一方、同時にＡＦＣ回路８に加える。

このＡＦＣ回路８は、オペアンプ２８と、コンデンサ２
６．２９．３０と、可変抵抗器３１と、抵抗器３２．３
５と、可変容量ダイオード３３と、結合コンデンサ３４
とを主要回路素子にもって構成されている。前記オペア
ンプ２８の一側端子は増幅回路５の出力端に接続されて
おり、同オペアンプ２８の＋側端子は前記可変抵抗器３
１の摺動端子に接続されている。オペアンプ２８の一掬
端子と出力端間にはコンデンサ２９が接続されており、
また、オペアンプ２８の出力端には抵抗器３２を介して
コンデンサ３０の一端側が接続され、同コンデンサ３０
の他端側はアースに接続されている。さらに、オペアン
プ２８の出力端は抵抗器３２．３５と結合コンデンサ３
４を介してセラミック共振器１２の出力端側に接続され
ている。そして、結合コンデンサ３４と抵抗器３５との
接続部には可変容量ダイオード３３のカソード側が接続
され、同可変容量ダイオード３３のアノード側は接地さ
れている。

このＡＦＣ回路８は増幅回路５から加えられる信号をオ
ペアンプ２８により増幅するがこの信号を増幅するに際
し、コンデンサ２９．３０の平滑作用により、オペアン
プ２８からの出力信号は周波数の低いほぼ直流の信号と
するのが一般的であるが、被検出体の動作速度に対応し
た時定数が設定される。

またオペアンプ２８からの出力信号はコンデンサ３０と
抵抗器３２、コンデンサ２６と抵抗器３５の２個の積分
回路を通ることによって、必要なレベルまで増幅される
とともに、非常に低い信号成分が可変容量ダイオード３
３に印加される。

可変容量ダイオード３３は逆バイアス状態で用いられて
おり、本実施例では雷源雷圧を１２Ｖとした場合、この
可変容量ダイオード３３に６■以上の逆バイアス電圧を
与え、同ダイオード３３の動作点を０電圧から負側の深
いバイアス点に設定している。

１１ ２ なお、この可変容量ダイオード３３の動作点の位置調整
は可変抵抗器３１の抵抗値を可変することにより直流レ
ベルで調整できるようになっている。換言すれば、ＡＦ
Ｃ回路の中心動作点を可変設定できることである。前記
可変容量ダイオード３３は前記積分回路から印加される
電圧に応じて容量を変・化させ、この容量変化を結合コ
ンデンサ３４を介してセラミック共振器１２に伝え、同
共振器１２の共振周波数を変える。すなわち、何らかの
原因でセラミック共振器１２の共振周波数が、例えば、
第４図のバックポーチ方式で設定した「。よりも右側に
ずれた場合には共振器１２からの出力が低下し、共振周
波数特性曲線上の直線領域に定めた例えば、ｖ０〜Ｖ、
の設定領域から外れてしまうという不都合が生じる。こ
のような場合、ＡＦＣ信号を共振器１２に付加すること
によって発振周波数ｆｌを自動的に右側にずらし、共振
器１２からの出力かり。〜Ｖ、の設定領域から外れない
ようにするものであり、この意味においてこのＡＦＣ回
路は１種のＡＧＣ回路としても機能するものである。

本発明は以上説明したように構成されており、以下、そ
の動作について説明する。

例えば、第７図に示すように、セラミック共振器１２の
共振周波数（同調周波数）ｒｏに対して発振回路部ｌの
発振周波数１１をわずかに外れた値設に設定されている
状態において、検出部３によって検出される被検出体と
の静電容量の変化がない場合にはセラミック共振器１２
からｖｏの一定電圧が出力される。これに対し、検出部
の電極部に人が近づいたり、ＶＨＤディスクのような面
の凹凸が検出部の電極の近傍を通過することにより、検
出部によって検出される静電容量がΔＣだけ変化すると
、このΔＣの変化は、Ｃ−Ｌ変換回路７によって次のよ
うにインダクタンスの変化に変換される。

第３図に示すように、電気回路の４端子回路定数を集中
定数で表すときのＹパラメータ（Ｙマトリックス）を用
いてＣ−Ｌ変換回路７をブラックボックスとして表し、
ジャイレータのコンダクタンスをＧ、入力端（セラミッ
ク共振器１２側）の電圧を部Ｖｌ、電流をｉ、とし、出
力側（検出部３３ ４ 側）の重圧をｖ２、電流を工２どすると、ｉｌ、２はジ
ャイレータの全体を示す次の式で表される。

このインピーダンスジャイレータは出力側にコンデンサ
を接続すると、入力側はインダクタンス成分として働く
ので、出力側の静電容量の変化ΔＣに刻して入力側はイ
ンピーダンスの変化ΔＺ、として表される。

ΔＺ　；　＝Ｖ＋／ｉ＋　　＝　ｊ　ωΔＣ／　Ｇ”た
だし、ωは角周波数 上記のように出力側で検出される静電容量の微小変化Δ
Ｃは（、−Ｌ変換回路７によりインピーダンスの微小変
化△Ｚ、に変換され、このΔＺ、の変化がセラミック共
振器１２へ加えられる。このＣＬ変換に際し、ΔＺｏの
式から分かるように、被検出体の静止状態のインピーダ
ンスは直接共振回路の共振に影響をおよぼすことがない
。このインピーダンスの変化ΔＺ、を受けて、セラミッ
ク共振器１２の共振周波数は例えば第７図でｆ。からｆ
ｏｌに移行する。このとき、発振周波数ｆｌは一定値に
保たれているから、セラミック共振器１２から取り出さ
れる出力重圧ばＶ。に△■だけ加算されたｖ０＋Δ■の
電圧として取り出される。

一般に、第５図に示すように、あるレスポンスｆ　（Ｇ
）を持った回路に信号ｆ（×）を通ずと出力信号「（ｏ
ｕｔ）として、 ｆ　（ｏｕｔ）　＝　ｆ　（Ｇ）　ｆ　（ｘ）の信号が
得られることが知られており、これを本実施例に当ては
めれば、「（に）を」ωＬ１の単一周波数、すなわち、
発振周波数で固定し、ｆ（Ｇ）を画像信号や人の動きに
対応したＰ８の信号で与えるとすれば、 ｆ（ｏｕｔ）＝　ｊωＬ、±Ｐうどなり、振幅変調され
た出力が取り出される。本実施例において、発振周波数
を超高周波数、例えばＩＣ！ｉｌｚとすれば、ｆ（ｏｕ
ｔ）はＩＧＨｚを中心とした±Ｐ８のシ１Ｆ域幅を持っ
た超高周波の信号になり、この超高周波の信号が検波回
路に加えられる。検波回路ではこの超高周波信号を包絡
線検波を行って被検出体の信号惜域（本実施例では３Ｍ
ＩＩｚの信号）に変換する。この帯域５ Ｇ 変換された信号は増幅回路５によって増幅され、その出
力信号の一部は図示されていない信号処理回路に送られ
、他の一部の信号はＡＦＣ回路８に分岐供給される。

ＡＦＣ回路８ではこの入力されてくる信号をコンデンサ
２９と３０の平滑作用によりほぼ直流に近い４００ｍ１
［ｚに落とし、さらに積分回路で必要レヘルまで信号増
幅してこれを可変容量ダイオード３３に加える。可変容
量ダイオード３３はこの加えられる信号に従い容量を変
化させ、この客足変化でセラミック共振器１２の共振周
波数１゜を最適に調整する。

本実施例によれば、発振回路部ｌの共振器と、共振回路
２の共振器とを共にセラミック共振器１０１２により構
成しているから、Ｑを大きな値にすることが可能となる
。しかも、セラミック共振器１２の周囲部の回路、つま
り、インピーダンス変換回路６と、インダクタンス素子
２１とコンデンサ２５の共振回路と、ＡＦＣ回路８とを
高インピーダンス化回路により構成しているから、セラ
ミノク共振器の動作時にＱが低下することがなく、高感
度のもとで静電容量の微小変化を検出することが可能と
なる。

その上、本実施例では、検出部３で検出される静電容量
の微小変化を（、−Ｌ変換回路７によりインダクタンス
の微小変化に変換してセラミック共振器１２へ加えてい
るから、Ｑあるいはインピーダンスが低い被検出体の静
電容量の変化を検出する場合においても、セラミック共
振器１２のインピーダンスやＱを低下させるということ
がなく、被検出体のＱやインピーダンスの高低に関係な
く高感度のもとて静電容量の微小変化を検出することが
可能となる。

さらに、共振器をストリップラインを使用せずにセラミ
ック共振器１．０．１２により構成したから、装置の超
小型が可能となる。すなわち、共振器をストリップライ
ンで構成すると、このストリップライン長として少くと
も発振周波数波長の％の長さを確保しなければならない
ため、ストリップラインの長さが長くなり、装置の小型
化を図ることが困難になるという問題がある。共振器を
講電体７ ８ を用いて構成すれば、共振器の長さをストリップライン
を用いたもののε−１７２にすることができる。

この誘電体を本実施例のようにセラミックにより構成す
れば、セラミックの誘電率εは４０〜９０であるので、
大幅な装色の小型化が図れることになる。

本実施例では縦２０肋×横２０［ＩＩＩＱ×高さ２Ｏｎ
＋ｍという非常に小型の装置とすることができた。

本実施例の装置によればＩ　Ｘｌ０−３〜ｌＸｌ０−’
ＰＦの微小静電容量の検出を高感度のもとて検出するこ
とが可能となり、したがって、本実施例の装置を、従来
の一般的な用途であるビデオディスクとスタイラス間の
静電容量変化等の検出装置としてはもとより、さらに微
小容量の高感度検出により始めて可能となる用途、例え
ば、人体容量センサ（人の室内侵入センサ）、微小位置
検出センサ、高温位置センサ（例えば８００　”Ｃ雰囲
気中での極限位置検出センサ）、高分解能ロータリーエ
ンコーダ、微小部品検出素子（例えばキャリアテープ上
のチップコンデンサ等の検出素子）、ガスセンサ（ガス
の種類によって静電容量の違いが生じることを利用した
ガスの識別センサ）、脈拍センサ（血液中に含まれる鉄
分の通過量の変化を利用した脈拍の検出センサ）、液体
相と固体相の相転移点検出センサ（固体、液体、気体の
状態図における液体相と固体相との転移点での誘電率変
化の検出センサ）、イオン検出センサ、湿度検出センサ
等の全く新しい機能、かつ、用途を持った高感度で信頼
性のある超小型の静電センサ装置を安価に提供すること
が可能となる。

また、本実施例では、ダイオード２２の動作点を０電圧
から負側に光分離れた位置に設定しているから、ダイオ
ード２２の信号の振幅成分が正側領域に入り込んで導通
するということがなく、この可変容量ダイオード３３の
インピーダンスを常時高い値に維持させることが可能と
なり、セラミック共振器１２のＱダンプを防止すること
が可能となる。

なお、本発明は上記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、発振回路部１の共振器と、共
振回路２の共振器とを共にセラミック共振１９ ０ 器ｔｏ、　１２により構成したが、これらの共振器の一
方あるいは両方をストリップラインにより構成してもよ
い。ただ、この場合は装置が大型となる。

また、上記実施例では、ＡＦＣ回路８のＡＦＣ信号を結
合コンデンサ３４を介してセラミック共振器１２に加え
ているが、これとは異なり、このＡＦＣ信号を例えば第
１図の鎖線で示すようにＣ−Ｌ変換回路７へ加えて、同
様に共振回路２の共振周波数と発振回路部１の発振周波
数との同調点の安定化を図るようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、Ｃ−Ｌ変換回路をトランジス
タジャイレータで形成したが、これを他の受動非相反素
子を用いて構成してもよい。

さらに、発振周波数は１〜１０ＧＨｚの範囲に限定され
るものではない。使用態様によってＭＨｚ４ＷやＧＨｚ
帯の中から最適周波数が選択される。

〔発明の効果〕

本発明は、微小静電容量の検出部と共振回路の共振器と
の間にＣ−Ｌ変換回路を介設したものであるから、被検
出体のＱやインピーダンスが低い場合にも、この低イン
ピーダンスの影響が共振回路の共振器に及ぶことがない
。したがって、常時、共振器のＱおよびインピーダンス
を高くした状態で静電容量の検出を行うことができ、こ
れにより、高感度のもとて微小静電容量の変化を検出す
ることが可能となる。

また、発振回路部の共振器と共振回路の共振器とを共に
セラミック共振器により構成することにより、装置の大
幅な軽量化および小型化を図ることが可能となる。

さらに、Ｃ−Ｌ変換回路に発振回路部の発振周波数と共
振回路の共振周波数との同調点を安定化させる安定化制
御回路を接続することにより、常時同調点を最適設定位
置のもとで動作させることが可能となり、静電容量の検
出の信頼性を大幅に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る静電センサ装置の一実施例の回路
図、第２図は同実施例におけるＣ−Ｌ変換回路の回路図
、第３図は同Ｃ−Ｌ変換回路の動１ ２ 作説明図、第４図は発振周波数と共振周波数との同調点
の設定方式を示す説明図、第５図は信号のレスポンス変
換例を示す説明図、第６図はＲＣＡ方式の一般的な静電
センサ製置のブロフク図、第７図はＲＣＡ方式の静電セ
ンサ装置の微小静電容量の検出動作の説明図である。 １・・・発振回路部、２・・・ノ（振回路、３・−・検
出部、４・・・検波部、５・・・増幅回路、６・・・高
インピーダンス変換回路、７・・・Ｃ−１−変換回路、
８・・・ＡＦＣ回路、１０・・・セラミック共振器、Ｉ
２・・・セラミック共振器、１３．１４．１５．１６・
・・トランジスタ、２１・・・インダクタンス素子、２
２・・・ダイオード、２３・・・コンデンサ、２４・・
・抵抗器、２５・・・結合コンデンサ、２Ｇ・・・コン
デンサ、２７・・・トランジスタ、２８・・・オペアン
プ、２９．３０・・・コンデンサ、３１・・・可変抵抗
器、３２・・・抵抗器、３３・・・可変容量ダイオード
、３４・・・結合コンデンサ、３５・−・抵抗器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発振周波数信号を出力する発振回路部と、被検出
   体との静電容量変化を検出する検出部と、この検出部で
   検出される静電容量の微小変化で共振周波数が変化する
   共振回路とを有する静電センサ装置において、前記検出
   部と共振回路との間には検出部で検出される静電容量の
   変化をインダクタンスの変化に変換して共振回路に伝え
   るＣ−Ｌ変換回路が介設されていることを特徴とする静
   電センサ装置。
2. （２）発振回路部の発振器と、共振回路の共振器とはと
   もにセラミック共振器により構成されている特許請求の
   範囲第１項の静電センサ装置。（３）共振回路又はＣ−
   Ｌ変換回路には発振回路部の発振周波数と共振回路の共
   振周波数との同調点を安定化させる安定化制御回路が接
   続されている特許請求の範囲第１項又は第２項の静電セ
   ンサ装置。