JPH0769371B2 - セラミック形静電センサの可変出力回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、同調回路としてのセラミック共振器のＱを変
化させてセンサ出力を可変するセラミック形静電センサ
の可変出力回路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に対応させて変化させ、発振周波数
を変化させるものであるが、検出感度が低く、このた
め、近年においては例えば特開昭58−85948号公報に開
示されている如く、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（Amplitude Modulation）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。

この方式の静電センサ装置は、第４図に示すように、発
振回路１と、同調回路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５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の動作基
準点の共振周波数f₀をわずかにずれた定位置に設定して
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f₀からΔｆだけ偏倚させ
て固定発振周波数f₁との同調点ＡをＡ′に変化させ、前
記静電容量の変化ΔＣを出力電圧ΔＶの変化に変換して
発振回路１の発振周波数信号を搬送波とするAM変調波を
作り出し、これ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〕

本発明者等は、発振回路１と同調回路２の各共振器にセ
ラミック共振器を用い、発振周波数信号を0.5GHz〜10GH
zの超高周波数の信号とすることにより、小型で１×10
^-5PF程度の微小静電容量の検出が可能な超高感度のセラ
ミック形静電センサを開発することに成功した。

一般に、静電容量の変化の測定に際しては、前記のよう
に超高感度のもとで検出する必要がある場合と、それよ
りも検出感度を低くしても特に支障を生じない場合が存
在する。超高感度での測定を必要としない分野で本発明
者等が開発した超高感度によるセラミック形静電センサ
を用いて静電容量の変化を検出すると、感度が良すぎ
て、環境変化や外乱等の影響によって同調点が設定領域
から外れてしまうという場合がある。反面、セラミック
静電センサの感度を低くすると、前記超高感度での微小
静電容量の変化を検出したいときにその検出ができない
という問題が生じる。

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、セラミック形静電センサのＱを可変調
整することにより、高い感度をそれほど必要としない測
定分野から超高感度を必要とする測定分野にわたり、使
用目的に応じた感度のもとで静電容量の変化を検出する
ことができるセラミック形静電センサの可変出力回路を
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、本発明のセラミック形静電センサ
の可変出力回路は、共振器を内蔵し固定周波数の発振周
波数信号を出力する発振回路と、前記発振回路の固定発
振周波数に対して共振周波数の動作基準点が設定量だけ
ずれた定位置に設定され検出される外部静電容量の変化
に対応した共振周波数の偏倚により前記固定発振周波数
との同調点を変化させ、この同調点の変化に対応する振
幅変調波を出力する前記発振回路の共振器とは別個独立
の同調回路としてのセラミック共振器とを有し、前記同
調回路としてのセラミック共振器には制御入力によって
電気抵抗値を変化させ該セラミック共振器のＱを可変す
る抵抗可変素子が並列に接続されていることを特徴とし
て構成されている。

〔作用〕

本発明では、当初抵抗可変素子は最も高いインピーダン
スに設定され、このときセラミック共振器は最も高いＱ
となっている。この状態で抵抗可変素子に制御入力を加
えると、例えば、制御入力が大きくなるにつれて、抵抗
可変素子のインピーダンスが小さくなり、これに伴い、
同調回路としてのセラミック共振器のＱダンプが生じ、
感度も低くなり、同セラミック共振器からの出力が小さ
くなる。

これに対し、制御入力を小さくすると、抵抗可変素子の
インピーダンスが大きくなり、前記セラミック共振器の
Ｑのダンプ量が小さくなり、感度の低下も小さくなって
セラミック共振器の出力の低下も小さくなる。このよう
に、抵抗可変素子に加える制御入力の大きさによってセ
ラミック共振器のＱダンプ量が変化し、同セラミック共
振器の出力信号の大きさが変化する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図には本発明の第１の実施例が示されている。本実施例
の回路はセラミック形静電センサ回路９と可変インピー
ダンス回路13とからなり、セラミック形静電センサ回路
９は、セラミック共振器を含む発振回路１と、この発振
回路１のセラミック共振器とは別個独立の同調回路とし
てのセラミック共振器12と、静電容量の変化を検出して
これをセラミック共振器12の出力端子に加える検出部３
と、カップリングコンデンサ６とインダクタンス素子と
からなる高インピーダンス化回路８と、ダイオード10に
よって構成される検波回路４と、演算増幅器21を含む増
幅回路５とを有して構成されている。

可変インピーダンス回路13は、前記セラミック共振器12
と並列に接続されるもので、この可変インピーダンス回
路13は、抵抗器14〜16,19と、本実施例において特徴的
な抵抗可変素子としての電界効果トランジスタ（FET）1
7と、コンデンサ18とからなる。FET17は高周波の素子か
らなり、そのソースは前記セラミック共振器12の出力端
子に接続され、ドレーンはバイアス抵抗器19を介してア
ースに接続されることで、FET17はセラミック共振器12
と並列に接続されている。また、FET17のソースは抵抗
器14を介してFET17の駆動電源に接続されている。FETの
ベースは抵抗器16を介して制御入力端子11に接続される
とともにコンデンサ18を通してアースされている。そし
て、FET17のソースとベース間には抵抗器15が設けられ
ている。このFET17の動作はＡ級増幅器としての動作を
する。

本実施例は上記のように構成されており、以下、その作
用を説明する。

発振回路１から例えば1GHzの固定の超高周波数の発振周
波数信号が出力されている状態で第５図に示すように、
同調回路としてのセラミック共振器12の共振周波数は固
定発振周波数f₁に対してわずかに設定量だけずれた定位
置の動作基準点f₀に在るが、検出部３により微小静電容
量の変化が検出されると、第５図に示すように、セラミ
ック共振器12の共振周波数が偏倚し、固定発振周波数f₁
との同調点Ａの変化に対応して、発振回路１の発振周波
数信号を搬送波とする振幅変調波（AM（Amplitude Modu
lation）変調波）が作り出され、このAM変調波は高イン
ピーダンス化回路８を経て検波回路４に加えられる。検
波回路４ではAM変調波を検波して静電容量変化の検出帯
域の信号に変換し、これを検出信号として出力する。検
出信号は増幅回路５で信号増幅され、所望の信号処理回
路に加えられる。

この微小静電容量の検出に際し、制御入力端子11から直
流の制御入力を加えると、その制御入力の大きさに応じ
てセラミック共振器12から出力される電圧レベルの大き
さが変化する。すなわち、制御入力が大きくなると、FE
T17のソース・ドレーン間の抵抗が小さくなり、第３図
に示すようにセラミック共振器12のＱがダンプする（Ｑ
が小さくなる）。このＱのダンプ量は制御入力が大きく
なるにつれて大きくなる。Ｑがダンプすると、検出感度
も低くなり、セラミック共振器12の出力レベルもＱのダ
ンプ量が大きくなるにつれて小さくなる。

これに対し、制御入力信号の大きさを小さくすると、FE
T17のソース・ドレーン間の抵抗が大きくなり、セラミ
ック共振器12のＱのダンプ量が小さくなる。そうする
と、検出感度の低下も小さくなり、セラミック共振器12
からの出力レベルの降下量も小さくなる。このように、
制御入力信号の大きさを調整することにより、セラミッ
ク共振器12の出力を可変調整することが可能となる。

したがって、セラミック共振器12のＱを大きくし、微小
静電容量の検出を超高感度のもとで検出したい場合に
は、制御入力を０とすることにより達成され、検出感度
を低くした状態で静電容量の変化を検出したいときに
は、制御入力信号をFET17のベース側に加えることによ
り、その目的を達成することができる。そして制御入力
信号の大きさを可変調整することにより、そのＱのダン
プ量が変化し、セラミック共振器12の出力信号のレベル
を任意に可変調整することが可能になる。もちろんFET1
7の抵抗値可変によりセラミック共振器12のＱを可変し
ても、抵抗値可変がセラミック共振器12の容量には影響
を与えないので、固定発振周波数f₁に対するセラミック
共振器12の共振周波数の動作基準点f₀が定位置からずれ
ることはない。

また、本実施例では、抵抗可変素子としてFET17を用い
て構成しているので、このFET17をセラミック共振器12
の周辺に配置することができ、セラミック形静電センサ
回路９の超高周波特性を良好に維持することが可能とな
る。

第２図には本発明の第２の実施例が示されている。この
第２の実施例が前記第１の実施例と異なることは、FET1
7のソースとセラミック共振器12の出力端子をカップリ
ングコンデンサ20を介して接続していることであり、そ
れ以外の構成は前記第１の実施例とほぼ同様である。

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。例えば、上記各実施例で
は、抵抗可変素子をFET17を用いて構成したが、この抵
抗可変素子は制御入力の大きさに応じて電気抵抗値が変
化する高インピーダンス素子であればFET17以外の回路
素子を用いて構成することができる。

また、制御入力端子11にはセラミック形静電センサ回路
９の出力信号をフィードバックさせて加えるようにして
もよいし、他の外部回路から制御信号を加えるようにし
てもよい。このように、セラミック形静電センサ回路９
と可変インピーダンス回路13とでフィードバックループ
を構成すれば、例えば環境変化や外乱等によりセラミッ
ク共振器12の同調点が大きくずれるような場合に、この
環境変化等に伴う信号変動が制御入力信号としてFET17
に加えられることになる。したがって、セラミック共振
器12のＱをその環境変化時にダンプさせて感度を低く
し、これら環境変化等による影響を緩和させることがで
きることとなり、これにより、セラミック形静電センサ
回路９における検出動作の安定化を図ることが可能とな
る。

また、セラミック形静電センサ回路９とは別個独立にセ
ンサを設け、このセンサからの信号を制御入力信号とし
て利用することも可能である。そうすれば、複合信号処
理回路が構成され、機能性に富んだ様々な回路展開が可
能となり、例えば、周囲の雑音を測定するセンサを設
け、このセンサの検出信号を制御入力信号とすれば、セ
ラミック形静電センサ回路９を静電マイクロホン装置と
して構成したとき、周囲の雑音を除外して遠方の音圧を
選択的に取り入れるズームマイクロホンとしての展開が
図れることになる。

〔発明の効果〕

本発明は、抵抗可変素子の制御入力によって同調回路と
してのセラミック共振器のＱのダンプ量を可変し、該セ
ラミック共振器の出力の大きさを可変調整するように構
成したものであるから、静電容量の検出を超高感度での
検出からそれよりも感度の低い状態での検出にわたり、
目的とする適切な感度のもとで微小静電容量の検出を行
うことができる。しかも、同調回路としてのセラミック
共振器のＱのダンプ量可変は抵抗可変素子の電気抵抗値
の可変によって行うので、抵抗可変が該セラミック共振
器の容量に影響を与えないので、固定発振周波数に対す
る該セラミック共振器の共振周波数の動作基準点がＱの
可変調整によって定位置からずれるということがなく、
これにより、Ｑダンプ量の可変にかかわらず微小静電容
量検出の回路動作を常に安定に行うことができる。

また、抵抗可変素子の制御入力信号を、セラミック形静
電センサの出力信号をフィードバックさせて利用した
り、あるいは別個独立のセンサ信号を利用する等、様々
な回路展開が可能となり、併せてセラミック形静電セン
サにおける回路動作の安定化を達成することができる。

さらに、抵抗可変素子に加える制御入力は直流あるいは
低周波の信号が一般的となるから、回路設計や配線に際
し、特別の配慮が不要となり、取り扱いが非常に容易と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセラミック形静電センサの可変出
力回路の第１の実施例を示す回路図、第２図は本発明の
第２の実施例を示す回路図、第３図は本発明の各実施例
における同調回路としてのセラミック共振器のＱダンプ
の説明図、第４図は従来の一般的な静電センサ回路のブ
ロック図、第５図は第４図の静電センサにおける微小静
電容量の検出動作を示す説明図である。 １……発振回路、２……同調回路、３……検出部、４…
…検波回路、５……増幅回路、６……カップリングコン
デンサ、７……インダクタンス素子、８……高インピー
ダンス化回路、９……セラミック形静電センサ回路、10
……ダイオード、11……制御入力端子、12……セラミッ
ク共振器、13……可変インピーダンス回路、14〜16……
抵抗器、17……電界効果トランジスタ（FET）、18……
コンデンサ、20……カップリングコンデンサ、21……演
算増幅器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】共振器を内蔵し固定周波数の発振周波数信
   号を出力する発振回路と、前記発振回路の固定発振周波
   数に対して共振周波数の動作基準点が設定量だけずれた
   定位置に設定され検出される外部静電容量の変化に対応
   した共振周波数の偏倚により前記固定発振周波数との同
   調点を変化させ、この同調点の変化に対応する振幅変調
   波を出力する前記発振回路の共振器とは別個独立の同調
   回路としてのセラミック共振器とを有し、前記同調回路
   としてのセラミック共振器には制御入力によって電気抵
   抗値を変化させ該セラミック共振器のＱを可変する抵抗
   可変素子が並列に接続されているセラミック形静電セン
   サの可変出力回路。