JPH05180887A - 静電センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列接続回路から
なる静電センサの検出電極20のインピーダンスを容量的
性質にする。 【構成】 静電センサ装置の共振回路のセラミック共振
器15に接続する検出電極20を複数の電極片Ａ₁ 〜Ａ_n に
分割し、この電極片Ａ₁ 〜Ａ_n をコイル５を用いて直列
接続し、この電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列接続回路をコンデ
ンサ７を介してセラミック共振器15の入出力端子４に接
続する。このコンデンサ７を介して電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の
直列回路を接続することで、電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列回
路のインピーダンスを容量的性質にし、周波数特性の改
善を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部静電容量の微小変
化を検出する静電センサ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、先に、１×10^-5PFという高
感度のもとで微小静電容量の変化を検出することができ
る静電センサ装置を特開平1-126234号において提案して
いる。この提案装置は、図18に示すように、セラミック
共振器19を備えた発振回路14と、この発振回路14のセラ
ミック共振器19とは別個独立のセラミック共振器15を有
して構成される共振回路21と、検波回路16と、増幅回路
17と、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control ）回路18
とからなるセンサ回路と、検出電極20とを有して構成さ
れている。

【０００３】前記発振回路14は0.5 ＧHz〜10ＧHzの固定
した高周波数の発振周波数信号を出力する。検出電極20
は被検出体に対向配置され、被検出体との微小静電容量
の変化を検出し、これを共振回路21に加える。共振回路
21は検出電極20から加えられる微小静電容量の変化に応
じて共振周波数を変化させ、発振回路14の発振周波数信
号を搬送波として共振周波数の変化に対応する振幅変調
信号を作り出し、これを検出信号として検波回路16に加
える。検波回路16はこの検出信号を包絡線検波し、この
検波出力を増幅回路17に加える。増幅回路17は検波回路
16から加えられる包絡線検波信号を所望の信号処理回路
に加える。ＡＦＣ回路18は環境変化等の影響によって偏
倚する共振回路の共振周波数を補正し、共振周波数の安
定化を行うものである。

【０００４】この提案装置によれば、検出電極20で検出
される微小静電容量の変化を共振回路の共振周波数の変
化として検出するものであるため、１×10^-5PFというそ
れまで不可能であった微小静電容量の変化を高感度のも
とで検出することが可能になった。

【０００５】本発明者はこの提案装置の性能に着目し、
この提案装置を利用して紙やフィルム等の紙葉状媒体の
検出に適した装置の開発を進めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記提案装置を紙葉状
媒体の検出に適用するに際しては、図20に示すように、
検出電極20を紙葉状媒体１とほぼ同一幅の長さをもった
板状の電極板となし、例えば図19に示すように、その検
出電極20に紙葉状媒体１の通過間隙２を介してグランド
電極３を対向配置し、検出電極20とグランド電極３との
間を紙葉状媒体１が通過するときの静電容量の変化を検
出電極20で検出し、これを前記図18に示す回路のセラミ
ック共振器15に加え、紙葉状媒体１の厚みや吸湿状態や
表面の凹凸や異物付着状態を検出する装置構成とするこ
とができる。

【０００７】しかしながら、図20に示すように検出電極
20を紙葉状媒体１の幅とほぼ等しい長さの電極にする
と、検出電極20の表面積が大きくなるために、検出電極
20の固定容量Ｃ₀ が大きくなり、微小静電容量の検出を
行う上で、分解能が低下してしまうという問題が生じ
る。このような問題を解消するために、図10に示すよう
に、検出電極20を複数の電極片Ａ₁ 〜Ａ_n に分割し、こ
れらの電極片Ａ₁ 〜Ａ_n をリード導体あるいはコイル５
を介して直列に接続し、この電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列回
路をセラミック共振器15の入出力端子４に接続すること
が考えられる。このようにすることにより、検出電極20
の固定容量Ｃ₀ が小さくなり、分解能の向上が期待でき
ることになる。しかし、複数の電極片Ａ₁ 〜Ａ_n を直列
に接続してセラミック共振器15に接続した場合、電極片
Ａ₁ 〜Ａ_n の数が多くなると、検出電極20、つまり、電
極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列接続回路のインピーダンスが容量
的性質よりも誘電性の性質が強くなり、微小静電容量の
検出性能が悪化するという問題が生じる。

【０００８】図11〜図16は直列接続する電極片の数に応
じて電極片の直列接続回路の性質がどのように変化する
かを実験により求めてスミスチャートに表したものであ
る。この実験は、測定器はネットワークアナライザを使
用し、駆動周波数を950 ＭHzから1.05ＧHzまで変化さ
せ、さらに、電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の大きさを長さ４mm，幅
２mmの長方形状として行ったもので、このスミスチャー
ト上で、三角印は共振回路21の動作点の周波数（980 Ｍ
Hz）位置の測定点のマーカー位置８を示しており、この
マーカー位置８の部分の円状の曲線は周波数を変えて行
ったときの電極片全体のインピーダンスの変化軌跡を表
している。このスミスチャートでは、マーカー位置８が
中心軸６に対して下側にあればあるほど容量的で、中心
軸６よりも上に行けば行くほど誘電性の性格が強くな
る。

【０００９】図11は検出電極として電極片を１個用いた
ときのスミスチャートで、マーカー位置８は中心軸６よ
りも下方に位置し、かなり良い容量的性質を示してい
る。図12は検出電極20として２個の電極片を直列接続し
た場合で、この場合も、検出電極は容量的性質を示して
いる。図13は電極片を３個直列にした場合であり、図14
は電極片を４個直列に接続した場合である。この図13お
よび図14でも検出電極は容量的性質を示しているが、電
極片を４個接続したものは、マーカー位置８は中心軸６
から僅かに下方位置となり、容量的性格が小さくなって
いる。図15は電極片を５個直列に接続した場合であり、
図16は電極片を６個直列に接続した場合を示している。
電極片が５個以上になると、マーカー位置は中心軸より
も上側になり、検出電極（電極片の直列接続体）のイン
ピーダンスは誘電性の性質を示す。

【００１０】図17は電極片を４個直列に接続したとき、
つまり、検出電極が僅かに容量的性格を有しているとき
の周波数特性曲線（Ａの曲線）を求めたグラフである。
このときの共振回路21の共振周波数ｆ₀ は約980 ＭHzと
なり、そのピーク電圧ｖ_p は802.6 ｍＶであった。そし
て、共振周波数特性曲線の最も感度の良い部分の周波数
は約988 ＭHzであり、その点での検出電圧（出力電圧）
は約644 ｍＶであった。この図17で、曲線Ｂは周波数特
性曲線Ａの各周波数に対する傾きを示したものであり、
曲線Ｃはセラミック共振器15に可変容量ダイオードを接
続し、可変容量ダイオードに加える電圧変化（０〜12ｍ
Ｖ）に対する共振周波数の変位を示したものである。こ
の図から分かるように、周波数特性曲線Ａは非常になだ
らかで感度が悪く、また、検出電圧も小さく、微小静電
容量の変化を高感度の下で検出することができない状態
になっている。本発明者は、電極片を５個以上直列接続
したときの周波数特性曲線を求めようとしたが、検出電
極は誘電性の性質となっているために、図６に示したよ
うな共振特性を示さず、周波数の変化に対して出力電圧
がほぼ直線の状態となり、共振特性曲線を求めることが
できなかった。

【００１１】前記の如く、検出電極を複数の電極片に分
割し、各電極片の直列接続回路をそのままセラミック共
振器15に接続したときには、図７の（ｂ）に示すように
電極片の数が増す毎に誘電性の性格が強くなって、電極
片が５個以上になると微小静電容量の変化を検出するこ
とができなくなるという問題に直面した。

【００１２】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、検出電極を複数の電極片に
分割してこれを直列接続回路とした場合においても、検
出電極のインピーダンスを容量的性質にし、微小静電容
量の変化を高感度の下で検出することが可能な静電セン
サを提供することにある。

【００１３】

【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、周波数信号を発振出力する発振回路と、被検出
体との静電容量の変化を検出する検出電極と、この検出
電極に接続され該検出電極から加えられる静電容量の変
化によって共振周波数を変化させその共振周波数の変化
に対応する信号を出力する共振回路とを備えた静電セン
サ装置において、前記検出電極は複数の電極片に分割さ
れ、各電極片は直列に接続されて電極片の直列接続回路
が形成されており、この電極片の直列接続回路はコンデ
ンサを介して前記共振回路に接続されていることを特徴
として構成されている。

【００１４】

【作用】上記構成の本発明において、共振回路に接続さ
れる検出電極は複数の電極片に区分され、各電極片は直
列に接続される。そして、この電極片の直列接続体がコ
ンデンサを介して共振回路に接続されることで、図７の
（ａ）に示したように電極片の直列接続体のインピーダ
ンスは容量的性質となり、微小静電容量の高感度検出が
可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、この実施例の説明において、図18の提案装
置と同一の部分には同一符号を付し、その重複説明は省
略する。図１には本発明に係る静電センサ装置の一実施
例を示す要部構成が示されている。この実施例の静電セ
ンサ装置は前記図18に示す提案装置と同様な回路構成と
なっており、本実施例において特徴的なことは、検出電
極20を複数に分割（区分）した電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列
接続回路を、コンデンサ７を介して共振回路21のセラミ
ック共振器15の入出力端子４に接続したことであり、そ
れ以外の構成は前記提案装置と同様である。図１に示す
如く、電極片Ａ₁ 〜Ａ_n を導体線により、あるいはコイ
ル５等のインダクタンス素子を用いて直列に接続したも
のを、コンデンサ７を介してセラミック共振器15に接続
することにより、電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列接続回路のイ
ンピーダンスは図７の（ａ）に示したように容量的性質
となる。

【００１６】これを実験的に確かめた結果が図２〜図５
に示されている。この実験は、前記図11〜図16の場合と
同一実験条件の下に行った実験結果をスミスチャートに
表したもので、図２は検出電極として１個の電極片を用
いた場合の結果であり、図３は検出電極として２個の電
極片を直列に接続した場合の結果であり、図４は電極片
を３個直列に接続した場合であり、図５は電極片を６個
直列に接続した場合の結果である。このスミスチャート
で三角印マーカ８に相当する部分のリアクタンスを整理
すると図７の（ａ）の特性が得られる。また、参考まで
に、図７の（ｂ）に、図10の接続状態における不良な出
力を示すリアクタンス特性を示す。これらの実験結果か
ら分かるように、この実施例では、直列接続する電極片
の数が多くなっても、マーカーの位置８は中心軸６より
もかなり下方の位置にあり、電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列接
続体からなる検出電極20は優れた容量的性質を示してい
る。

【００１７】図６は電極片を６個直列接続して検出電極
20としたときの周波数特性曲線を求めた結果のグラフで
ある。このグラフで、周波数特性曲線Ａの共振周波数ｆ
₀ は約975 ＭHzであり、このときのピーク電圧ｖ_p は約
1457ｍＶを示した。そして、周波数特性曲線Ａのカーブ
の最も感度の良い点の周波数は約985 ｍHzであり、この
ときの検出電圧（出力電圧）は約1043.7ｍＶであった。
この周波数特性曲線から分かるように、そのカーブはほ
ぼ左右対称となり、しかも、ピーク電圧ｖ_p は大きな値
となり、その上、周波数特性曲線Ａの傾きを示した曲線
Ｂから分かるように、周波数特性曲線の傾斜も大きく、
このセンサで良い感度を得るにはｖ_p が大きく、傾斜が
大きくなければならぬが、本願の構成で優れた特性曲線
が得られていることが図８に示したデータから実証され
た。なお、図８は分割電極を６個（Ｐ₁ 〜Ｐ₆ ）で構成
した紙検出の出力特性を示したもので、横軸は時間軸Ｔ
を表し、縦軸は出力電圧を示している。被検出体（紙）
の走行を各電極Ｐ₁ からＰ₆ に対して時間差が生じるよ
うに構成してあるので図18から得られる出力電圧は図８
に示した出力波形として得られる。すなわち、図から明
らかなように、Ｐ₁ からＰ₆ で得られる出力電圧はばら
つきの少ないものとなる。

【００１８】このように、電極片Ａ₁ 〜Ａ_n の直列接続
体にコンデンサ７を介してセラミック共振器15の入出力
端子４に接続することにより、検出電極20の容量的性質
を高め、これにより、微小静電容量の検出を高感度、か
つ、高分解能の下で検出することが可能となる。

【００１９】また、本実施例では、直列接続する電極片
の数が大きくなっても容量的性質を損なわないので、例
えば、紙葉状媒体１の厚み等の検出を行うとき、紙葉状
媒体１の幅が大きい場合であっても、その全幅に亙って
多数の電極片を配置して紙葉状媒体の検出を行うことが
できるので、非常に好都合となる。なお、電極片の直列
接続体とセラミック共振器15との間に介設されるコンデ
ンサ７の静電容量は電極片の直列接続体からなる検出電
極20のインピーダンスが容量的性質となるように設定す
ることとなる。すなわち、検出電極のインピーダンスベ
クトルＸはＸ＝｛（ｊωＬ）² −（１／ｊωｃ）² ＋Ｒ
² ｝^1/2 の式で表される。ここで、ｊは虚数単位、ωは
角周波数、Ｌは直列抵抗体の電極片全体のインダクタン
ス、ｃは同じく電極片の直列接続体の容量、Ｒは電極片
の直列接続体の抵抗値である。この式で、ｊωＬは誘電
的性質の項を示し、１／ｊωｃは容量的性質の項を示し
ており、このｊωＬと１／ｊωｃの値が等しくなるよう
にコンデンサ７の容量を設定することになる。

【００２０】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。例えば、上記
実施例では、共振回路21のセラミック共振器15の入出力
端子４に複数の電極片Ａ₁ 〜Ａ_n からなる１系列の直列
接続回路を接続したが、図９に示すように、複数系列の
電極片の直列接続回路をセラミック共振器15の入出力端
子４に接続することも可能である。

【００２１】

【発明の効果】本発明は静電センサ装置の共振回路に接
続する検出電極を複数の電極片に分割し、この電極片の
直列接続回路をコンデンサを介して共振回路に接続する
ように構成したものであるから、前記複数の電極片の直
列接続回路（検出電極）のインピーダンスを容量的性質
にすることができ、これにより、多数の電極片を直列接
続した場合においても、優れた共振周波数特性を示し、
微小静電容量の変化を感度良く、かつ、高分解能の下で
検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電センサ装置の一実施例の要部
構成図である。

【図２】同実施例装置の検出電極を１個の電極片によっ
て構成したときの特性を示すスミスチャートである。

【図３】検出電極を２個の電極片の直列接続回路で構成
したときの同実施例装置の特性を示すスミスチャートで
ある。

【図４】検出電極を３個の電極片の直列接続回路で構成
した同実施例装置の特性を示すスミスチャートである。

【図５】検出電極を６個の電極片の直列回路で構成した
ときの同実施例装置の特性を示すスミスチャートであ
る。

【図６】同実施例装置の周波数特性図である。

【図７】同実施例における検出電極の電極分割数とリア
クタンスの関係を悪い例との比較で示す説明図である。

【図８】同実施例における紙厚検出結果の一例を示す説
明図である。

【図９】検出電極を複数系列の電極片の直列回路によっ
て構成した他の実施例の説明図である。

【図10】検出電極を電極片の直列接続回路で形成し、こ
の直列接続回路をそのまま直接共振回路に接続した状態
の回路図である。

【図11】図10の回路で、検出電極を１個の電極片で形成
したときの特性を示すスミスチャートである。

【図12】図10の回路で、検出電極を２個の電極片の直列
回路で形成したときの特性を示すスミスチャートであ
る。

【図13】図10の回路で、検出電極を３個の電極片の直列
回路で形成したときの特性を示すスミスチャートであ
る。

【図14】図10の回路で、検出電極を４個の電極片の直列
回路で形成したときの特性を示すスミスチャートであ
る。

【図15】図10の回路で、検出電極を５個の電極片の直列
回路で形成したときの特性を示すスミスチャートであ
る。

【図16】図10の回路で、検出電極を６個の電極片の直列
回路で形成したときの特性を示すスミスチャートであ
る。

【図17】図10の回路で、検出電極を４個の電極片の直列
回路で形成したときの周波数特性図である。

【図18】出願人が先に提案した静電センサ装置の回路図
である。

【図19】図18の装置を用いた紙葉状媒体の検出例を示す
説明図である。

【図20】図19の検出例で、紙葉状媒体の検出を行う検出
電極の一形態例の説明図である。

【符号の説明】

７ コンデンサ 14 発振回路 15 セラミック共振器 20 検出電極 21 共振回路 Ａ₁ 〜Ａ_n 電極片

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数信号を発振出力する発振回路と、
   被検出体との静電容量の変化を検出する検出電極と、こ
   の検出電極に接続され該検出電極から加えられる静電容
   量の変化によって共振周波数を変化させその共振周波数
   の変化に対応する信号を出力する共振回路とを備えた静
   電センサ装置において、前記検出電極は複数の電極片に
   分割され、各電極片は直列に接続されて電極片の直列接
   続回路が形成されており、この電極片の直列接続回路は
   コンデンサを介して前記共振回路に接続されていること
   を特徴とする静電センサ装置。