JPH08220161A - 静電容量検出装置及びそれを用いたセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な回路構造によって，高い周波数を使用
した場合でも安定した測定が可能で，微量の浮遊容量等
の静電容量の変化を高精度に検出可能な静電容量検出装
置，並びに，該静電容量検出装置を適用したセンサを提
供することを目的とする。 【構成】 一定周波数の矩形波を発振する発振手段１０
２と，２入力論理演算手段１０５と，発振手段１０２の
出力端と２入力論理演算手段１０５の一の入力及び他の
入力との間にそれぞれ直列に接続され，相互に同一特性
を備える第１及び第２の抵抗１０３，１０４とを具備
し，被測定端子１１１を２入力論理演算手段１０５の一
または他の入力に接続し，該２入力論理演算手段１０５
の出力電圧の変化に基づいて，被測定端子１１１におけ
る静電容量１１５（Ｃｐ）の変化を検出するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量検出装置及びそ
れを用いたセンサに係り，特に，簡単な回路構造によっ
て，高い周波数を使用した場合でも安定した測定が可能
で，微量の静電容量の変化を高精度に検出可能な静電容
量検出装置，並びに，該静電容量検出装置を例えば液面
センサ等に適用することにより，高い周波数を使用した
場合でも安定して微量の浮遊容量等の静電容量の変化を
検出でき，確実に被測定端子位置を認識し得るようにし
たセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，臨床分野では，人体の血清，尿等
を測定対象（以下，検体という）として，各種試薬と反
応させて反応状態を化学的に分析し，各種項目の測定を
行って診断に供する自動化学分析装置が知られている。
この自動化学分析装置には，例えば，バイオセンサ，イ
オンセンサ等が備えられ，各種項目を測定する。

【０００３】このような自動化学分析装置において，測
定操作を自動化するために不可欠の技術が種々あるが，
その１つに，プローブ（吸い込み針）を検体の入った試
験管に挿入するに当たり，検体の液面を検出して，プロ
ーブが移動し過ぎて試験管や装置に損傷を与えることな
く，またプローブ先端の汚れによるキャリーオーバを防
止するために，プローブを試験管内で液面から一定位置
に設定する技術がある。この際，プローブが液面に触れ
たことの検出は，液面センサによって行われている。

【０００４】従来，自動化学分析装置においては，液面
センサとして，例えば静電容量式液面センサ等が使用さ
れている。この静電容量式液面センサにおける液面の検
出原理は，プローブの先端に容量検出部（静電容量検出
装置）を設けて，検出される静電容量の変化を認識する
ものである。即ち，空中より検体の液面に液面センサの
容量検出部（金属プローブ等の先端）が触れるときに，
液体の持つ浮遊容量によって検出される静電容量が大き
く変化するのを捉えて，プローブが液面に触れたことを
認識するものである。

【０００５】また，液面センサには，２本のプローブを
備えた構成で，該２本のプローブ間の電流を検知してプ
ローブが液面に触れたことを認識するものもある。上記
静電容量式液面センサは１本のプローブで構成し得るこ
とから，この２本プローブ式のセンサに比べて検出部の
容積が小さく，より狭い空間における検出が可能となる
という利点を有する。特に，最近の自動化学分析装置に
おいては，内部に備える試験管の径が小さいものが多
く，検出部の容積の小さい静電容量式液面センサが有効
である。

【０００６】また静電容量式液面センサにおいて，検出
される静電容量の変化を認識する静電容量検出装置とし
ては，従来，オペアンプを利用したものがあり，例え
ば，容量マルチプライヤ方式やブリッジ回路構成のもの
が広く用いられている。またこの他にも，静電容量を利
用した発振回路により，発振周波数または位相の変化を
捉えて静電容量の変化を検出する等々の方法が知られて
いる。

【０００７】オペアンプを利用した装置の基本的回路構
成は，オペアンプの一方の入力に接続される静電容量
（プローブ先端の静電容量に相当する）の容量変化を，
オペアンプにより増幅された電圧変化により認識する，
或いは発振周波数の変化により認識するものである。

【０００８】通常，自動化学分析装置等に用いられる静
電容量式液面センサが測定対象とするのは，プローブに
発生する浮遊容量であって非常に微小な容量値である。
一般に，容量検出においては，小さな容量ほど高い周波
数を用いた計測が一定以上の精度を得るためには有利な
方法である。

【０００９】一方，オペアンプは数十［ｋＨｚ］程度以
下の周波数を扱うものが多く，この通常のオペアンプで
は，高周波になると自己の周波数特性の制約から動作が
不安定となる。また，高い周波数でも安定した動作を行
う高速オペアンプを用いることもできるが，高価であ
り，製品コストに及ぼす影響が大きい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように，従来の
オペアンプを利用した静電容量検出装置にあっては，高
周波を用いて微小容量を検出する必要性，また高周波で
の安定した動作を保証する要請から，高速オペアンプを
使用して製品コストが高くなるという問題や，或いは補
正回路等が必要となって製品の回路構成が複雑になると
いう問題点があった。また，この静電容量検出装置を使
用した液面センサ等のセンサに至っても同様の問題が生
じていた。

【００１１】本発明は，上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって，簡単な回路構造によって，高い周波
数を使用した場合でも安定した測定が可能で，微量の浮
遊容量等の静電容量の変化を高精度に検出可能な静電容
量検出装置を提供することを目的としている。

【００１２】また本発明の他の目的は，本発明で提案す
る静電容量検出装置を，液面センサ等に適用することに
より，高い周波数を使用した場合でも安定して微量の浮
遊容量等の静電容量の変化を検出でき，確実に被測定端
子位置を認識し得るセンサを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，本発明の請求項１に係る静電容量検出装置は，一定
周波数の矩形波を発振する発振手段と，２入力論理演算
手段と，前記発振手段の出力端と前記２入力論理演算手
段の一の入力及び他の入力との間にそれぞれ直列に接続
され，相互に同一特性を備える第１及び第２の抵抗とを
具備し，被測定端子を前記２入力論理演算手段の一また
は他の入力に接続し，該２入力論理演算手段の出力電圧
の変化に基づいて，前記被測定端子における静電容量の
変化を検出するものである。

【００１４】また，請求項２に係る静電容量検出装置
は，請求項１記載の静電容量検出装置において，前記２
入力論理演算手段の一の入力及び他の入力と前記第１及
び第２の抵抗との間に，それぞれ相互に同一特性を備え
る第１及び第２のインバータ回路を具備するものであ
る。

【００１５】また，請求項３に係る静電容量検出装置
は，請求項１または２記載の静電容量検出装置におい
て，前記２入力論理演算手段または前記第１及び第２の
インバータ回路は，Ｃ−ＭＯＳ集積回路で構成され，ヒ
ステリシス特性を備えるものである。

【００１６】また，請求項４に係る静電容量検出装置
は，請求項１，２または３記載の静電容量検出装置にお
いて，前記第１及び第２のインバータ回路は，同一チッ
プ上に形成されたものである。

【００１７】また，請求項５に係るセンサは，請求項
１，２，３または４記載の静電容量検出装置を具備し，
液体の液面または物品の表面に対して前記被測定端子を
近づけていく場合に，前記静電容量検出装置により得ら
れる静電容量の変化に基づいて，前記被測定端子が前記
液面または前記表面に所定距離まで近接したこと，或い
は前記液面または前記表面に触れたことを検知するもの
である。

【００１８】

【作用】本発明の請求項１に係る静電容量検出装置で
は，発振手段により一定周波数の矩形波を発振し，第１
及び第２の抵抗を介して２入力論理演算手段の一の入力
及び他の入力との間にそれぞれ供給する。２入力論理演
算手段の一または他の入力は被測定端子と接続されて，
２入力論理演算手段の一方には，第１または第２の抵抗
と被測定端子にかかる静電容量とで決定される遅延時間
だけ遅れた位相の電圧が印加されることになる。

【００１９】２入力論理演算手段の論理演算により，２
つの入力の位相差に応じたパルス幅を持つ出力波形を得
ることとなり，該２入力論理演算手段の出力電圧の変
化，例えば出力電圧の積分値に基づいて，被測定端子に
かかる浮遊容量等の静電容量の変化を検出することが可
能となる。尚，第１及び第２の抵抗を相互に同一特性の
ものを使用することにより，２入力論理演算手段の出力
電圧を，被測定端子にかかる静電容量の変化によっての
み変化させることができ，より高精度な検出が可能とな
る。

【００２０】また，請求項２または３に係る静電容量検
出装置では，２入力論理演算手段をＣ−ＭＯＳ集積回路
で構成し，ヒステリシス特性を備えるものを使用するの
が望ましい。つまり，被測定端子にかかる浮遊容量等の
静電容量を検出する場合には，該被測定端子は電気的に
浮いた状態にあり，入力の微小変化を高精度に検出する
ためには，高い入力インピーダンスを備えるＣ−ＭＯＳ
集積回路の素子を使用するのが望ましい。また，入力さ
れる電圧波形は第１または第２の抵抗と静電容量とで積
分された電圧波形となることから，ヒステリシス特性を
備えるものを使用するのが望ましい。

【００２１】また，請求項２または３に係る静電容量検
出装置では，２入力論理演算手段の一の入力及び他の入
力と第１及び第２の抵抗との間に，それぞれ相互に同一
特性を備える第１及び第２のインバータ回路を備えた構
成とし，第１及び第２のインバータ回路をＣ−ＭＯＳ集
積回路で構成し，ヒステリシス特性を備えるものを使用
することとしてもよい。

【００２２】また，請求項４に係る静電容量検出装置で
は，第１及び第２のインバータ回路は，同一チップ上に
形成されたものを使用するのが望ましい。これにより，
製造プロセスが同一であることから，入力特性や温度ド
リフト等の特性ばらつきをより低減させることができ，
より高精度な検出が可能となる。例えば，第１及び第２
のインバータ回路の入力容量は同一プロセスであるので
ほぼ同一値となり，これら入力容量による影響は相殺さ
れて，２入力論理演算手段の出力電圧を，被測定端子に
かかる静電容量の変化によってのみ変化させることがで
き，より高精度な検出が可能となる。

【００２３】また，請求項５に係るセンサでは，請求項
１，２，３または４記載の静電容量検出装置を備えて構
成し，液体の液面または物品の表面に対して被測定端子
を近づけていく場合に，静電容量検出装置により得られ
る静電容量の変化に基づいて，被測定端子が液面または
表面に所定距離まで近接したこと，或いは液面または表
面に触れたことを検知するようにしている。これによ
り，液面または表面に至るまでの距離が被測定端子の移
動と共に逐次検出することができ，また請求項１，２，
３または４記載の静電容量検出装置を用いることによ
り，高い周波数を使用した場合でも安定して微量の浮遊
容量等の静電容量の変化を検出でき，確実に被測定端子
の位置を認識し得るセンサを実現できる。

【００２４】

【実施例】以下，本発明の静電容量検出装置及びそれを
用いたセンサの実施例について，図面を参照して詳細に
説明する。

【００２５】〔実施例１〕図１は本発明の実施例１に係
る静電容量検出装置とそれを用いた静電容量式液面セン
サの構成図である。

【００２６】同図において，本実施例の静電容量検出装
置１０１は，水晶発振器（請求の範囲にいう発振手段）
１０２，第１抵抗１０３，第２抵抗１０４，２入力排他
的論理和ゲート回路（２入力論理演算手段）１０５，処
理部１０６及びプローブ（被測定端子）１１１を備えて
構成されている。尚，当該静電容量検出装置１０１の測
定対象（静電容量）は，プローブ１１１にかかる浮遊容
量１１５（Ｃｐ）であり，以下，測定対象の静電容量を
浮遊容量１１５（Ｃｐ）として説明する。

【００２７】また図１は，静電容量検出装置１０１を用
いた静電容量式液面センサの構成をも示しており，静電
容量式液面センサは，静電容量検出装置１０１と判定部
１２１とを備えて構成されている。

【００２８】本実施例では，装置小型化の観点から，発
振手段として水晶発振器を用いているが，これに限定さ
れるものではない。また，第１抵抗１０３及び第２抵抗
１０４には，相互に同一特性のものを使用する。

【００２９】更に，２入力論理演算手段として２入力排
他的論理和ゲート回路１０５を使用しているが，これに
限定されるものではなく，ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＡＮＤ，Ｎ
ＯＲ等のゲート回路を使用することも可能である。但
し，排他的論理和演算素子を使用する場合には，信号の
立ち上がり及び立ち下がりの２箇所について別々に認識
できるので，他の論理演算素子に比べてより効率的であ
る。

【００３０】尚，この２入力論理演算手段（２入力排他
的論理和ゲート回路１０５）は，Ｃ−ＭＯＳ集積回路で
構成し，ヒステリシス特性を備えるものを使用するのが
望ましい。

【００３１】これは，プローブ１１１にかかる浮遊容量
１１５（Ｃｐ）を検出する場合には，該プローブ１１１
は電気的に浮いた状態にあり，当該２入力排他的論理和
ゲート回路１０５の入力電圧の微小変化を高精度に検出
するためには，高い入力インピーダンスを備えたＣ−Ｍ
ＯＳ集積回路の素子を使用するのが望ましいからであ
る。

【００３２】また，２入力論理演算手段に入力される電
圧波形は，第２の抵抗１０４（Ｒ）と浮遊容量１１５
（Ｃｐ）とで積分された電圧波形となるため，確実な論
理動作を保証するには，ヒステリシス特性を備えるもの
を使用するのが望ましいからである。

【００３３】処理部１０６は，例えば積分回路であり，
２入力排他的論理和ゲート回路１０５の排他的論理和演
算により得られた，２つの入力の位相差に応じたパルス
幅を持つ出力波形を積分して，位相差を電圧値に加工す
るものである。つまり，該電圧値がプローブ１１１にか
かる浮遊容量１１５（Ｃｐ）の変化に対応した物理量と
なる。

【００３４】また，本実施例の静電容量検出装置１０１
を用いて，静電容量式液面センサを構成することができ
る。静電容量式液面センサは，容器１１２内の検体（血
清，尿等）１１３の液面に対してプローブ１１１を近づ
けていく場合に，静電容量検出装置１０１により得られ
る静電容量の変化に基づいて，プローブ１１１が液面に
所定距離まで近接したこと，或いは液面に触れたことを
検知するものである。即ち，判定部１２１が，処理部１
０６によって得られた積分値等に基づいてプローブ１１
１にかかる浮遊容量１１５（Ｃｐ）の変化を判断する。

【００３５】次に，本実施例の静電容量検出装置１０１
の動作を，図２に示すタイミングチャートを用いて詳細
に説明する。

【００３６】図２（ａ）は第１抵抗１０３と２入力排他
的論理和ゲート回路１０５の一の入力との接続ノードＡ
の電圧波形であり，水晶発振器１０２からの基準信号入
力波形でもある。また，図２（ｂ）は第２抵抗１０４と
２入力排他的論理和ゲート回路１０５の他の入力との接
続ノードＢの電圧波形であり，該接続ノードＢはプロー
ブ１１１にかかる浮遊容量１１５との接続ノードでもあ
る。

【００３７】従って，図２（ｂ）の接続ノードＢの電圧
波形は，図２（ａ）の接続ノードＡの電圧波形に対し
て，遅延時間ｔｄ分だけ遅れた位相を持つ。つまり，接
続ノードＢの信号は，第２抵抗１０４（Ｒ）と浮遊容量
１１５（Ｃｐ）とによる積分回路によって，積分された
電圧波形となり，２入力排他的論理和ゲート回路１０５
の入力におけるしきい値（”Ｌ”レベルから”Ｈ”レベ
ルに切り替わる）タイミングが時間ｔｄだけ遅延するこ
とになる。ここで，遅延時間ｔｄは，第２抵抗１０４の
抵抗値Ｒと浮遊容量１１５の容量値Ｃｐによって決定さ
れる。

【００３８】更に，図２（ｃ）は，上記２つの信号を入
力として排他的論理和を取った，２入力排他的論理和ゲ
ート回路１０５の出力ノードＣの電圧波形である。この
ように，２入力排他的論理和ゲート回路１０５の出力に
は，２つの入力の位相差，即ち遅延時間ｔｄに応じたパ
ルス幅を持つ矩形波信号が得られる。

【００３９】以上のように，本実施例の静電容量検出装
置１０１では，水晶発振器１０２，第１抵抗１０３，第
２抵抗１０４及び２入力排他的論理和ゲート回路１０５
を備えた簡単な回路構造によって実現しており，従来の
オペアンプを使用した静電容量検出装置が高周波におい
て動作が不安定となるのに対して，周波数依存性の低い
素子を使用する本実施例では，高い周波数を使用した場
合でも安定した測定が可能となり，微量の浮遊容量等の
静電容量の変化を高精度に検出することができる。

【００４０】また，静電容量検出装置１０１を，液面セ
ンサに適用することにより，高い周波数を使用した場合
でも安定して微量の浮遊容量等の静電容量の変化を検出
でき，確実に被測定端子の位置を認識し得るセンサを実
現できる。

【００４１】〔実施例２〕図３は本発明の実施例２に係
る静電容量検出装置の構成図である。

【００４２】本実施例の静電容量検出装置が実施例１と
異なる点は，２入力排他的論理和ゲート回路３０５の一
の入力及び他の入力と第１抵抗１０３及び第２抵抗１０
４との間に，それぞれ相互に同一特性を備える第１イン
バータ回路３０７及び第２インバータ回路３０８を備え
た点，第１インバータ回路３０７及び第２インバータ回
路３０８をＣ−ＭＯＳ集積回路で構成し，ヒステリシス
特性を備えるものを使用した点，並びに，２入力排他的
論理和ゲート回路３０５をＣ−ＭＯＳ集積回路で構成
し，ヒステリシス特性を備えるものとする制約が無い点
である。

【００４３】第１インバータ回路３０７及び第２インバ
ータ回路３０８は，集積回路で実現する場合，同一チッ
プ上に形成されたものを使用するのが望ましい。製造プ
ロセスが同一となり，入力特性や温度ドリフト等の特性
ばらつきをより低減させることができ，より高精度な検
出を可能とすることができるからである。

【００４４】その他の構成要素，本実施例の静電容量検
出装置の動作及び効果については，実施例１と同様であ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように，本発明の請求項１
に係る静電容量検出装置によれば，発振手段により一定
周波数の矩形波を発振して第１及び第２の抵抗を介して
２入力論理演算手段の一の入力及び他の入力との間にそ
れぞれ供給し，２入力論理演算手段の一方に，第１また
は第２の抵抗と被測定端子にかかる浮遊容量等の静電容
量とで決定される遅延時間だけ遅れた位相の電圧を印加
し，２入力論理演算手段の論理演算により，２つの入力
の位相差に応じたパルス幅を持つ出力波形を得ることと
したので，該２入力論理演算手段の出力電圧の変化，例
えば出力電圧の積分値に基づいて，被測定端子にかかる
浮遊容量等の静電容量の変化を検出することが可能とな
り，また，第１及び第２の抵抗を相互に同一特性のもの
を使用することにより，２入力論理演算手段の出力電圧
を，被測定端子にかかる浮遊容量等の静電容量の変化に
よってのみ変化させることができ，より高精度な検出が
可能となる。

【００４６】一般に，一定以上の精度を得るためには，
測定対象の静電容量が小容量であるほど，高い周波数を
用いた計測が有利であるが，本発明の請求項１に係る静
電容量検出装置によれば，高い周波数を使用した場合で
も安定した測定が可能であり，結果として，微量の浮遊
容量等の静電容量の変化を高精度に検出し得る静電容量
検出装置を簡単な回路構造で提供することができる。

【００４７】また，請求項２または３に係る静電容量検
出装置によれば，２入力論理演算手段をＣ−ＭＯＳ集積
回路で構成し，ヒステリシス特性を備えるものを使用す
ることとしたので，２入力論理演算手段の入力電圧波形
が，第１または第２の抵抗及び被測定対象である静電容
量によって積分された電圧波形であっても確実な論理動
作が可能となると共に，電気的に浮遊した微量の静電容
量の変化についても高精度に検出し得る静電容量検出装
置を提供することができる。

【００４８】また，請求項２または３に係る静電容量検
出装置によれば，２入力論理演算手段の一の入力及び他
の入力と第１及び第２の抵抗との間に，それぞれ相互に
同一特性を備える第１及び第２のインバータ回路を備え
た構成とし，第１及び第２のインバータ回路をＣ−ＭＯ
Ｓ集積回路で構成し，ヒステリシス特性を備えるものを
使用することとしたので，２入力論理演算手段の入力電
圧波形が，第１または第２の抵抗及び被測定対象である
静電容量によって積分された電圧波形であっても確実な
論理動作が可能となると共に，電気的に浮遊した微量の
静電容量の変化についても高精度に検出することがで
き，また高い周波数を使用した場合でも安定した測定を
行い得る静電容量検出装置を提供することができる。

【００４９】また，請求項４に係る静電容量検出装置に
よれば，第１及び第２のインバータ回路は，同一チップ
上に形成されたものを使用することとしたので，入力特
性や温度ドリフト等の特性ばらつきをより低減させるこ
とができ，より高精度な検出が可能となる。

【００５０】また，請求項５に係るセンサによれば，請
求項１，２，３または４記載の静電容量検出装置を備え
て構成し，液体の液面または物品の表面に対して被測定
端子を近づけていく場合に，静電容量検出装置により得
られる静電容量の変化に基づいて，被測定端子が液面ま
たは表面に所定距離まで近接したこと，或いは液面また
は表面に触れたことを検知することとしたので，液面ま
たは表面に至るまでの距離を被測定端子の移動と共に逐
次検出することができ，また請求項１，２，３または４
記載の静電容量検出装置を用いることにより，高い周波
数を使用した場合でも安定して微量の浮遊容量等の静電
容量の変化を検出でき，確実に被測定端子の位置を認識
し得るセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る静電容量検出装置とそ
れを用いた静電容量式液面センサの構成図である。

【図２】実施例１の静電容量検出装置の動作を説明する
タイミングチャートである。

【図３】本発明の実施例２に係る静電容量検出装置の構
成図である。

【符号の説明】

１０１ 静電容量検出装置 １０２ 水晶発振器（発振手段） １０３ 第１抵抗（Ｒ） １０４ 第２抵抗（Ｒ） １０５，３０５ ２入力排他的論理和ゲート回路（２入
力論理演算手段） １０６ 処理部 ３０７ 第１インタフェース回路 ３０８ 第２インタフェース回路 １１１ プローブ（被測定端子） １１２ 容器 １１３ 検体 １１５ プローブにかかる浮遊容量（Ｃｐ） １２１ 判定部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定周波数の矩形波を発振する発振手段
   と，２入力論理演算手段と，前記発振手段の出力端と前
   記２入力論理演算手段の一の入力及び他の入力との間に
   それぞれ直列に接続され，相互に同一特性を備える第１
   及び第２の抵抗と，を有し，被測定端子を前記２入力論
   理演算手段の一または他の入力に接続し，該２入力論理
   演算手段の出力電圧の変化に基づいて，前記被測定端子
   における静電容量の変化を検出することを特徴とする静
   電容量検出装置。
2. 【請求項２】 前記２入力論理演算手段の一の入力及び
   他の入力と前記第１及び第２の抵抗との間に，それぞれ
   相互に同一特性を備える第１及び第２のインバータ回路
   を有することを特徴とする請求項１記載の静電容量検出
   装置。
3. 【請求項３】 前記２入力論理演算手段または前記第１
   及び第２のインバータ回路は，Ｃ−ＭＯＳ集積回路で構
   成され，ヒステリシス特性を備えることを特徴とする請
   求項１または２記載の静電容量検出装置。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２のインバータ回路は，
   同一チップ上に形成されたものであることを特徴とする
   請求項１，２または３記載の静電容量検出装置。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３または４記載の静電容
   量検出装置を有し，液体の液面または物品の表面に対し
   て前記被測定端子を近づけていく場合に，前記静電容量
   検出装置により得られる静電容量の変化に基づいて，前
   記被測定端子が前記液面または前記表面に所定距離まで
   近接したこと，或いは前記液面または前記表面に触れた
   ことを検知することを特徴とするセンサ。