JPH0830724B2

JPH0830724B2 - 多連静電センサ装置

Info

Publication number: JPH0830724B2
Application number: JP1261756A
Authority: JP
Inventors: 昇増田; 貴史杉村; 哲夫大澤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH03123873A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、外部静電容量の変化を検出して、その検出
信号を出力するセンサ回路が複数連設されている多連静
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４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、前記静電容量の変化ΔＣを出力電圧
ΔＶの変化に変換し、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〕

近年、静電センサ装置で検出される静電容量の検出信
号を複数の異なる形態で並行処理したり、検出信号分析
のより一層の正確さを図りたいという要望がある。前記
信号の並行処理を達成するためには、発振回路１から増
幅回路５に至る一系列のセンサ回路を複数隣接配置する
ことが考えられ、また、信号分析の正確化を図るために
は、発振回路１から増幅回路５に至る一系列のセンサ回
路を少なくとも２系列形成し、各系列の出力信号の差動
出力を求めることが考えられる。

しかしながら、これらの発振回路１から増幅回路５に
至るセンサ回路を複数隣接配置する場合、特に、１×10
^-5PF程度の高感度のもとで静電容量の微小検出を行なお
うとすると、検出信号以外の外乱や静電センサ装置を被
測定装置に組み込む場合に発生する浮遊分布容量等の影
響を受けて各系列のセンサ回路の発振周波数を一致させ
ることが困難になる。この各系列の発振周波数が少しで
もずれると、各系列の発振周波数が互いに共鳴等の相互
干渉を引き起こす。例えば、隣接する一方の発振周波数
がf₀で、他方の発振周波数がf₀′とすると、相互干渉に
よりf₀′−f₀あるいはf₀′＋f₀のビート周波数が発生
し、これが外乱となって、正確な信号処理ができなくな
る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、各系列の発振周波数信号が相互干渉を
起こさずに正確な信号処理を行うことができる多連静電
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、次のような構成
されている。すなわち、本発明の多連静電センサ装置
は、第１に、周波数信号を発振する発振回路と；前記発
振回路とは別個な独立した検出用の共振器を有し、検出
部で検出される外部静電容量の変化を受けて検出用の共
振器の同調点を変化させ、この同調点の変化に対応する
信号をそれぞれ独立した外部静電容量変化の検出信号と
して出力する同調回路と；を含む一系列の独立した検出
能を持つセンサ回路が複数系列形成される多連静電セン
サ装置であって、前記複数系列のセンサ回路は１個の共
通な発振回路を共有し、この共通の発振回路からそれぞ
れの系列の同調回路に周波数信号が加えられていること
を特徴として構成されており、また、本発明は第２に、
周波数信号を発振する発振回路と；前記発振回路とは別
個な独立した検出用の共振器を有し、検出部で検出され
る外部静電容量の変化を受けて検出用の共振器の同調点
を変化させ、この同調点の変化に対応する信号をそれぞ
れ独立した外部静電容量変化の検出信号として出力する
同調回路とを含む一系列の独立した検出能を持つセンサ
回路が偶数系列形成され、前記各系列のセンサ回路は１
個の共通の発振回路を共有し、この共通の発振回路から
それぞれの系列の同調回路に周波数信号が加えられてお
り、また、２系列のセンサ回路を一対とする各対ごとの
センサ回路には各対の差動出力を送出する出力回路が接
続されていることを特徴として構成されており、さら
に、本発明は第３に、少なくとも前記同調回路の共振器
は誘電体共振器により構成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、１個の共通の発振回路から高周波の周波
数信号が各系列のセンサ回路の同調回路に加えられる。
そして、各センサ回路は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し、外部
静電容量の変化に対応する検出信号が各系列の同調回路
から出力される。そしてこの同調回路から出力される検
出信号は検波増幅等された後、出力回路から送出され
る。この出力回路は目的とする信号処理形態に対応させ
て構成され、例えば、各系列の信号を別個独立に並行処
理する場合には、それぞれの系列の信号を増幅して出力
し、また、対となる系列の信号の差動出力を求めたい場
合には、対となる系列の信号は差動増幅器を通して出力
されるのである。

〔実施例〕

以下、本発明に係る多連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多連静
電センサ装置の第１の実施例の回路図が示されている。
本実施例の装置とは、発振回路１と、単一の同調回路２
と、検波回路４と、増幅回路５と、AFC回路８とを有す
る一系列の独立した検出能を持つセンサ回路が発振回路
１を共通にして偶数列、本実施例では13aと13bとで２系
列、隣接配置されるもので、各系列のセンサ回路の出力
信号は出力回路としての差動増幅器７によって差動出力
されるように構成されている。

第２図は一系列のセンサ回路の詳細を示したもので、
発振回路１には超高周波、本実施例であ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
共振器としてのセラミック共振器10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
を高インピーダンス変換部６の出力側から分配抵抗器9a
を通して同調回路２に加える。この同調回路２は発振回
路１の誘導体共振器10とは別個独立の誘電体共振器とし
てのセラミック共振器12によって構成され、検出部11に
は図示されていない被検出体との静電容量の変化を検出
する電極板、検出針等が設けられている。

検波回路４は結合コンデンサ25を介してセラミック共
振器12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を介して検波回路
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は検波回路の検波部を構
成するが、本実施例ではこのダイオード22の動作点は０
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。前記検波部はセラミック共振器12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、検波部はセ
ラミック共振器12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22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12に接続すると共振器12のＱが低下すると
いう不都合が生じる。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は高いインピーダンス化回路として機能
し、Ｑの低下を防止する。

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は検波回路４から加えられ
る信号を増幅し出力回路に供給するとともに、同時にAF
C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29,30
と、可変抵抗器31と、抵抗器32,35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−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31の摺動端子に接続されている。
また、オペアンプの−側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、オペアンプの出力端にはコ
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、オペアンプの出
力端は抵抗器32,35と結合コンデンサ34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なる。
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によって構成される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33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、本実施例では電源電圧を12Vとした場合、この可
変容量ダイオード33に6V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。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、AFC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
かの原因で共振器12の共振周波数が、例えば、第４図の
f₀よりも右側にずれた場合には共振器12からの出力がV₀
以下になり、共振周波数特性曲線の直線領域内での高イ
ンピーダンスの範囲内で定められるV₀〜V₁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回路を共振器12に付加することによって発振周
波数f₁を自動的に右側にずらし、共振器12からの出力が
V₀〜V₁の設計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。なお、第２図の回路中▽の記号の
頭部は接地点を示している。

本第１の実施例では、上記のように構成される一系列
のセンサ回路が発振回路１を共有して13aと13bとで２系
列設けられており、共通の発振回路１からは高周波の周
波数信号が分配抵抗器9a,9bを介してそれぞれの系列の
同調回路２に加えられている。そして、各系列のセンサ
回路13a,13bの増幅回路５から送出される信号は出力回
路としての差動増幅器７に加えられている。

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。なお、この動作
説明に関し、第１系列のセンサ回路13aに対応する第２
の系列のセンサ回路13の回路部分には番号にダッシュを
付けて両者を区別する。

第４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）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14が動くと、検出部11,11′の検出針17,
17′によって検出される被検出体14との静電容量の微小
変化が生じ、同調回路2,2′の共振点がΔf₁,Δf₁′だけ
変化する。つまり、第４図において同調回路2,2′の発
振周波数f₁に対する同調点A,A′がB,B′に変化し、ΔV,
ΔＶ′の電圧変化が生じる。同調回路2,2′では発振周
波数f₁と同調回路2,2′における共振周波数の変化成分
Δf₁,Δf₁′とのかけ算が行われる。すなわち、第１系
列のセンサ回路13aでは、発振周波数f₁の周波数信号
と、共振点の変化成分Δf₁とのかけ算が行われ、また、
第２系列のセンサ回路13bでは発振周波数f₁の周波数信
号と共振点の変化成分Δf₁′とのかけ算が行われ、いわ
ゆる電圧変化ΔV,ΔＶ′のAM変調が得られる。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、各系列の変調信号は1GHzを中心とし、被検出体14の
動きに対応した帯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対応する検波回路4,4′に加えら
れる。検波回路4,4′ではこの超高周波信号を包絡線検
波を行って被検出体14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
5,5′によって増幅され、その出力信号の一部は出力回
路としての差動増幅器７に送られ、他の一部の信号は対
応するAFC回路8,8′に分岐供給される。AFC回路8,8′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400mHzに落とし、さらに積分回
路で必要レベ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、この容量変化でセラミッ
ク共振器12の共振周波数f₀を最適に調整する。

一方、差動増幅器７では、第１系列の増幅回路５から
加えられる信号と、第２系列の増幅回路５′から加えら
れる信号との差を求めてこれを増幅し、単一の差動検出
信号として図示されていない信号処理回路等に加える。

上記のように本第１の実施例では、２系列のセンサ回
路13a,13bは１個の発振回路１を共有する構成であるか
ら、各系列の発振周波数が共鳴を起こしてビート周波数
を発生するという相互干渉の問題は全く発生することが
なく、コンデンサマイクロホン、人体検出センサ、ロー
タリエンコーダ等の高感度の検出が望まれる領域で、高
精度の、かつ、信頼性の高い信号処理が可能となる。

また、前記のように、複数系列のセンサ回路に対して
１個の発振回路を設ければよいから、各系列ごとに発振
回路を設ける場合に較べ、装置の大幅な小型化および軽
量化を達成することが可能となる。

なお、この第１の実施例では２系列のセンサ回路13a,
13bで装置を形成したが、センサ回路を複数の偶数列で
形成し、２系列を１ペアとして、各対ごとに差動出力を
求めるように構成することも可能である。また、上記例
ではセンサ回路13aの検出情報とセンサ回路13bの検出情
報との差動出力を求めているが、一方側のセンサ回路を
補償用として使用し、検出信号と補償信号との差動出力
を求めることもできる。

第３図には本発明に係る多連静電センサ装置にかかる
第２の実施例が示されている。この第２の実施例は、１
個の発振回路１を共有して複数系列のセンサ回路13a,13
b,13cを隣接配置し、各系列のセンサ回路13a,13b,13cの
増幅回路5,5′,5″の出力側にオペアンプ15,15′,15″
を接続し、このオペアンプ15,15′,15″で、各系列のセ
ンサ回路13a,13b,13cからの出力信号を別個独立に増幅
してそれぞれ目的とする信号処理回路16,16′,16″へ加
えるようにしたものであり、その他の構成は前記第１の
実施例と同様である。

この第２の実施例では、各系列のセンサ回路13a,13b,
13cによって検出される微小静電容量の検出信号がオペ
アンプ15,15′,15″で信号増幅された後、対応する信号
処理回路16,16′,16″で並列処理されることになる。

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、発振回路１の共振器10と、同調回路2,2′,2″
の共振器12とをともに誘電体共振器により構成したが、
これをいずれもストリップラインで構成することが可能
であり、また、発振回路１の共振器をストリップライン
で構成し、各センサ回路13a,13b,13cの同調回路2,2′,
2″の共振器12を誘電体共振器により構成することも可
能である。この場合、発振回路１の共振器と同調回路の
両方の共振器あるいは同調回路側の共振器を誘電体共振
器により構成すれば、装置の小型化を進めることができ
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なくとも発振周波
数波長の1/4の長さを確保しなければならず、ストリッ
プラインの長さが長くなり、装置が大型になる。これに
対し、上記各実施例のように、共振器を誘電体を用いて
構成した場合、誘電体共振器の誘電率をεとすれば、共
振器の長さをストリップラインを用いたものに較べε
^−1/2にすることができる。誘電体共振器をセラミック
共振器により構成すれば、セラミックの誘電率εは40〜
90であるので、大幅な装置の小型化を図ることができ
る。本発明者は発振回路と同調回路の共振器をストリッ
プラインで形成した場合と、セラミック共振器で形成し
た場合を比較したところ、セラミック共振器で形成すれ
ば形状を1/6に小型化でき、重量を1/10に軽量化できる
ことを確認することができた。また、セラミックのＱは
200〜300と高く、ストリップラインの共振器に較べ、高
感度化が充分期待できることになる。

また、本発明の実施態様として、１個の発振回路１を
共通にして複数系列のセンサ回路を形成し、そのうちの
一群のセンサ回路は各対ごとに差動出力を求め、他の群
のセンサ回路は独立に信号の並行処理を行わせるように
することも可能である。

さらに、上記各実施例では検波回路を包絡線検波回路
で構成したが、これをピーク検波回路によって構成する
こともできる。

〔発明の効果〕

本発明は、１個の発振回路を共有させて複数系列のセ
ンサ回路を形成したものであるから、各系列のセンサ回
路の発振周波数が相互干渉を生じることが全くなく、こ
れにより、各系列のセンサ回路の所望の信号処理を高精
度のもとで行うことが可能となる。

また、複数のセンサ回路に対して発振回路を１個用意
すればよいから、各系列のセンサ回路ごとに発振回路を
設ける方式に較べ、装置構成の簡易化が図れ、合わせて
装置の小型化と軽量化を大幅に図ることが可能となる。

さらに、発振回路の共振器と、この発振回路とは別個
独立の同調回路の共振器との両方あるいは同調回路の共
振器を誘電体共振器により構成すれば、装置のより一層
の小型・軽量化を図ることができ、さらに、装置の検出
感度を高めることが可能となる。

さらに、前記の如く、各系列のセンサ回路の発振周波
数は相互干渉を全く起こすことがないから、各センサ回
路を至近配置することが可能となり、回路の実装密度を
高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る多連静電センサ装置の第１の実施
例の回路図、第２図は同実施例を構成するセンサ回路の
詳細な回路図、第３図は本発明の多連静電センサ装置の
第２の実施例を示す回路図、第４図は静電センサ装置に
おける微小静電容量の検出例の説明図、第５図は従来の
静電センサ装置を示すブロック図である。１……発振回路、2,2′,2″……同調回路、３……検出
部、4,4′,4″……検波回路、5,5′,5″……増幅回路、
６……高インピーダンス変換部、７……差動増幅器、８
……AFC回路、9a,9b,9c……分配抵抗器、10……セラミ
ック共振器、11……検出部、12……セラミック共振器、
13a,13b,13c……センサ回路、14……被検出体、15,1
5′,15″……オペアンプ、16,16′,16″……信号処理回
路、17,17′,17″……検出針、21……インダクタンス素
子、22……ダイオード、23……コンデンサ、24……抵抗
器、25……結合コンデンサ、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

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数信号を発振する発振回路と；前記発
振回路とは別個な独立した検出用の共振器を有し、検出
部で検出される外部静電容量の変化を受けて検出用の共
振器の同調点を変化させ、この同調点の変化に対応する
信号をそれぞれ独立した外部静電容量変化の検出信号と
して出力する同調回路と；を含む一系列の独立した検出
能を持つセンサ回路が複数系列形成される多連静電セン
サ装置であって、前記複数系列のセンサ回路は１個の共
通な発振回路を共有し、この共通の発振回路からそれぞ
れの系列の同調回路に周波数信号が加えられている多連
静電センサ装置。
【請求項２】周波数信号を発振する発振回路と；前記発
振回路とは別個な独立した検出用の共振器を有し、検出
部で検出される外部静電容量の変化を受けて検出用の共
振器の同調点を変化させ、この同調点の変化に対応する
信号をそれぞれ独立した外部静電容量変化の検出信号と
して出力する同調回路と；を含む一系列の独立した検出
能を持つセンサ回路が偶数系列形成され、前記各系列の
センサ回路は１個の共通の発振回路を共有し、この共通
の発振回路からそれぞれの系列の同調回路に周波数信号
が加えられており、また、２系列のセンサ回路を一対と
する各対ごとのセンサ回路には各対の差動出力を送出す
る出力回路が接続されている多連静電センサ装置。
【請求項３】少なくとも同調回路の共振器は誘電体共振
器により構成されている特許請求の範囲第１項又は第２
項記載の多連静電センサ装置。