JPH0820478B2 - 静電センサ装置 - Google Patents

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１と、同調
回路２と、被検出体19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f₀をわずかにずれた位置に設定しておき、検出電極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から左右にΔｆだけ偏倚させ、前記
静電容量の変化±ΔＣを同調レベルV₀を基準とした±Δ
Ｖ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19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19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
な成分容量（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へ同時に送り込まれる場合が生
じる。前記不要成分容量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成分や、針かディスクの外
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、個々のディスクのプレス成形による
バラツキによる静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、歯型表面のピンホールやバリ等の微小幅の凹凸に
よる静電容量の変動成分が不要成分容量として取り込ま
れる。

このような不要成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、真の検出成分容量の周波数
帯域f_Wを挟んで低周波数帯域の不要成分容量A₁と、高周
波数帯域の不要成分容量A₂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VHD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成分が該当する。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の歯型のピンホール
やバ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、不要成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バリ
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、真の検出成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
要成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成分を持ち、この周波数成分
が明らかな場合にはその周波数成分に合わせた低周波数
帯域と高周波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
要成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、この不要成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成分容量による共振
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、ノイズ成分が駆動されるのである。

〔実施例〕

以下、本発明に係る静電センサ装置の実施例を図面に
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
の検出信号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0.5GHz〜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（セラミック共振器）によって構成さ
れ、この同調回路２には被検出体19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
10と、ダイオード11と、コンデンサ12と、抵抗器13とに
よって構成されており、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AFC（Automatic Fre
quency 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15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15の出力側
は可変容量ダイオード16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
15はフィルタ回路により構成されている。このフィルタ
回路は、例えば、第２図（ａ）に示すようなローパスフ
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
記ローパ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成分容量の周波数
帯域f_W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成されてお
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）f₀に対して発振回路１の発振周波数f₁がわずか
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19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Δｆだけ変化する。そして、同調回路２では発振
周波数f₁と同調回路２における共振周波数の変化成分Δ
ｆ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1GHzとすれば、変調信号は1GHzを中心とし、被検出体
19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、不要成分容量が検出
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成分の
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）にノイズ成分として現れる。これら不要信号成分を
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絡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
の帯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14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成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15がローパスフィルタにより構成されているときに
は、低周波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16に加えられる。また、
周波数選択制御回路15がハイパスフィルタにより構成さ
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16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16が逆バイアス状態で接続されている
ことから、不要成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成分容量
を検出した場合には、その不要成分容量と逆極性の静電
容量を可変容量ダイオード16に発生させ、前記不要成分
容量を打ち消すのである。この結果、低周波数帯域の不
要成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16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
生するノイズ成分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、この不要成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、１×10^-5PF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15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15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
静電容量の検出信号を平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
要成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16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補正して、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
より構成しているが、これをストリップラインで構成し
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
成分容量と共に不要成分容量が取り込まれた場合に、こ
の不要成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
補正するように構成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波数の
補正制御を行う方式としているから、装置構成が極めて
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１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、11……ダイオード、12
……コンデンサ、13……抵抗器、14……バッファ回路、
15……周波数選択制御回路、16……可変容量ダイオー
ド、17……ダイオード、18……結合コンデンサ、19……
被検出体、20……分配抵抗器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。