JP3116693B2

JP3116693B2 - 静電センサ

Info

Publication number: JP3116693B2
Application number: JP05293386A
Authority: JP
Inventors: 昇増田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1993-11-24
Publication date: 2000-12-11
Anticipated expiration: 2015-12-11
Also published as: JPH07146319A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共振方式により静電容
量を検出する静電センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量を検出する方式としてはいくつ
かの方式が知られているが、そのうち共振方式と呼ばれ
るものは、感度が高いという利点を有している。図３
（ａ）には共振方式に則り構成された静電センサの回路
構成が、図３（ｂ）にはこの回路における共振周波数の
設定が、それぞれ示されている。

【０００３】図３（ａ）に示される回路は、発振回路
１、共振回路２、検出部３、検波部４及び増幅回路５を
有している。発振回路１は図３（ｂ）においてｆ１で示
される周波数で発振する。共振回路２は、図３（ｂ）に
おいてｆ０で示される周波数で共振する。すなわち、共
振回路２の共振周波数ｆ０は発振回路１の発振周波数ｆ
１からわずかにずれた周波数に設定されている。ただ
し、この図では周波数ｆ１が周波数ｆ０より低い（バッ
クポーチ）が、これは逆に周波数ｆ１を周波数ｆ０より
高くしても構わない（アップポーチ）。

【０００４】検出部３は、検出対象たる静電容量の変化
を検出する。この変化は、共振回路２の共振周波数を変
化させる。例えば共振周波数がｆ０からｆ０１に変化す
ると、すなわち静電容量の変化により共振周波数がΔｆ
だけ低くなると、共振回路２の出力電圧はＶ０からＶ０
＋ΔＶに変化する。このように静電容量の変化により振
幅変調した信号は検波部４により検波され、さらに増幅
回路５により増幅された上で検出結果として出力され
る。

【０００５】本願出願人は、このような方式をより改良
した静電センサを提案している（特開平３−７１０５４
号参照）。図４及び図５には、それぞれ、この公報にて
実施例として開示されている静電センサの全体構成及び
そのＣ−Ｌ変換回路の構成が示されている。以下、その
概要について説明するが、詳細は、当該公報の第３５２
頁右下欄第６行〜第３５６頁左下欄第１６行を参照され
たい。

【０００６】この先提案に係る静電センサは、発振回路
１、共振回路２、検出部３、検波部４、増幅回路５、高
インピーダンス変換回路６、Ｃ−Ｌ変換回路７及びＡＦ
Ｃ回路８を備えている。

【０００７】発振回路１は、数百ＭＨｚ以上（例えば１
ＧＨｚ近傍）の周波数を共振周波数とする誘電体共振器
１１を有している。誘電体共振器１１の共振周波数は例
えば図３（ｂ）中の周波数ｆ１に設定されている。誘電
体共振器１１は発振回路１のタンク回路として機能し、
従って発振回路１の発振周波数はｆ１となる。発振した
高周波の信号は、高インピーダンス変換回路６を介して
共振回路２に供給される。

【０００８】この高インピーダンス変換回路６は、発振
回路１のインピーダンスと共振回路２のインピーダンス
の相違による不具合を避けかつ共振回路２の共振条件の
変化が発振回路１に及ぶのを排除するための回路であ
る。すなわち、誘電体共振器２１に発振回路１を直接接
続すると、発振回路１のインピーダンスが誘電体共振器
２１の動作点でのインピーダンスより低いため、誘電体
共振器２１のＱと反射による損失、反射によって生じる
見掛上の抵抗分の増加によるＱの低下等が生じ、特性が
低下する。高インピーダンス変換回路６は、これを防い
でいる。

【０００９】共振回路２は、数百ＭＨｚ以上（例えば１
ＧＨｚ近傍）の周波数を共振周波数とする誘電体共振器
２１を有している。高インピーダンス変換回路６を介し
て発振回路１から供給される信号は、この誘電体共振器
２１に印加される。誘電体共振器２１の共振周波数は例
えば図３（ｂ）中の周波数ｆ０に設定されている。誘電
体共振器１２には、Ｃ−Ｌ変換回路７を介して検出部３
が接続されている。検出部３には、被検出体との静電容
量の変化を検出するため、板、イオン電極、絶縁被覆電
極、熱遮断電極等の電極（図中のスタイラス）が接続さ
れている。被検出体とスタイラスの間の静電容量が変化
すると、検出部３からこの変化を示す低周波信号が出力
され、Ｃ−Ｌ変換回路７を介して共振回路２に供給され
る。すると、共振回路２に新たな回路要素が付加された
のと同等の効果が生じ、共振回路２の共振周波数がｆ０
から例えばｆ０１へと変化する。これにより、図３
（ｂ）に示されるような原理で高周波信号（発振回路１
からの信号）が振幅変調される。変調周波数は静電容量
の変化の周波数であり、例えば５０ｋＨｚ以下の周波数
である。

【００１０】Ｃ−Ｌ変換回路７は、図５に示されるよう
に、３個のトランジスタ７１〜７３を有するトランジス
タジャイレータとして構成されている。このジャイレー
タにより、誘電体共振器２１側から見た被検出体側のイ
ンピーダンスが、容量性のインピーダンスから誘導性の
インピーダンスに変換される。このような変換を行うの
は、被検出体の静止状態のインピーダンスが共振回路２
の動作に影響を与えないようにするためである。

【００１１】共振回路２の共振周波数の変化により振幅
変調が加わった発振回路１からの高周波信号は、検波部
４によって包絡線検波される。検波により得られる信号
は例えば数ｍＶ程度の微小信号であるので、増幅回路５
によって増幅された上で出力される。また、ＡＦＣ回路
８は、増幅された信号に基づき共振回路２に周波数のフ
ィードバックを加える（自動周波数制御：ＡＦＣ）。こ
れにより、共振発振周波数変動を低減することができ
る。

【００１２】このように、図４及び図５に示される本願
出願人の先提案の構成は、共振方式に則り構成されてい
るため、発振方式、スイッチキャパシタンス方式、ダイ
オードブリッジ方式等の静電センサ方式に比べ、静電容
量変化の検出感度が高い。また、共振回路２、特に誘電
体共振器２１の周辺にインピーダンスやＱに関する各種
変換回路（高インピーダンス変換回路６及びＣ−Ｌ変換
回路７の他、検波部４入力段のＬＣ回路を含む）を設け
る等の改良を加えているため、誘電体共振器２１の特徴
たるＱ等をより生かすことができる。このような改良
は、誘電体共振器２１を検出に用いる静電センサの用途
を広げるものであり、例えば、ＡＴＭ、自動改札装置、
製紙機械、パルプ製造機械、木工機械、食品製造機械、
ロボット、情報機器、加速度計測機器、振動計測機器、
マイクロマシン変位検出機器等に適用範囲が広がる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｃ−Ｌ変換回
路をトランジスタジャイレータとして構成すると、トラ
ンジスタの接合容量が大きいため、微小な静電容量変化
の検出が困難になる。すなわち、１０^-2〜１０^-5ｐＦ程
度の微小な静電容量変化を検出対象とする場合、トラン
ジスタの入力容量は例えば１０^-1ｐＦ程度であるから、
トランジスタジャイレータを用いるのは難しい。さら
に、トランジスタジャイレータの回路構成は複雑であ
る。

【００１４】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、高周波信号間の干
渉を防ぎつつかつトランジスタジャイレータを使用する
ことなく共振回路と検出部を接続することにより、より
微小な静電容量変化を検出可能な静電センサを実現する
と共に、より安定な検出を実現しかつ雑音を低減するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の静電センサは、発振周波数を決定す
る第１の誘電体共振器を含む発振回路と、この発振周波
数とわずかに異なる周波数で共振する共振回路と、被検
出体との間の静電容量の変化を検出しこれを発振周波数
より低い周波数の信号として共振回路に供給することに
より、共振回路の共振周波数を上記静電容量の変化に応
じて変化させる検出部と、共振回路と検出部の間に介在
し、共振回路側から見たインピーダンスが発振周波数近
傍で高く、検出部側から見たインピーダンスが静電容量
の変化に係る周波数で低い受動フィルタ回路と、を備
え、静電容量の変化を共振周波数の変化により検出する
ことを特徴とする。

【００１６】また、本発明の静電センサは、受動フィル
タ回路が、発振周波数より低い遮断周波数を有する低域
通過型の第１のフィルタと、第１のフィルタと縦続接続
され発振周波数近傍で誘導性回路として機能する第２の
フィルタと、を有することを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明においては、共振回路と検出部の間に受
動フィルタ回路が設けられる。この受動フィルタ回路の
共振回路側から見たインピーダンスは、発振周波数近傍
で高く、また、検出部側から見たインピーダンスは、静
電容量の変化に係る周波数（すなわち検出部の出力周波
数）で低い。従って、共振回路側から検出部への高周波
信号の伝達は抑圧されるから、検出部に高周波信号が供
給され、発振回路からグラウンドライン等を介してケー
スに流れる高周波信号と干渉することがない。また、検
出部の出力信号は概ね減衰することなく共振回路に伝達
されるから、検出部の出力信号による共振周波数の変
化、すなわち静電容量の変化の検出は好適に行われる。
このように、本発明においては、高周波信号間の干渉が
排除されるため、より安定で雑音の少ない検出動作を実
現可能になる。さらに、共振回路と検出部の接続にトラ
ンジスタを用いる必要がなく、トランジスタが有してい
る静電容量の影響等も生じない。この結果、より微小な
静電容量変化が検出可能になる。

【００１８】また、この受動フィルタ回路は、複数のフ
ィルタを縦続接続した構成とすることができる。最も好
ましい態様としては、定Ｋ型フィルタ等として構成され
る低域通過フィルタ（第１のフィルタ）と、誘導Ｍ型フ
ィルタ等として構成される第２のフィルタと、を有する
構成がある。この構成は、第１のフィルタの遮断周波数
が発振周波数より低く、かつ第２のフィルタが発振周波
数近傍で誘導性回路として機能するよう、設計される。
このような構成においては、第１のフィルタによって上
述した機能が実現される。また、この第１のフィルタを
構成するコイルに浮遊容量が存在していたとしても、こ
の浮遊容量の影響は、誘導性回路として機能する第２の
フィルタにより低減乃至防止される。これにより、簡素
な回路構成で検出感度を確保可能になる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づき説明する。なお、本発明は図４に示される先提案
の回路の改良であるので、記載の簡略化のため、実施例
の説明においては改良に係る部位のみを図示し説明す
る。

【００２０】図１には、本発明の第１実施例に係る静電
センサの要部構成が示されている。この図に示されてい
るのは、図４におけるＣ−Ｌ変換回路７に代えて使用さ
れるフィルタ回路９の構成である。この実施例のフィル
タ回路９は、図５に示されるようなトランジスタジャイ
レータではなく、定Ｋ型フィルタ９１及びノッチフィル
タ９２により構成されている。定Ｋ型フィルタ９１とノ
ッチフィルタ９２は縦続接続されており、定Ｋ型フィル
タ９１側に誘電体共振器２１が、ノッチフィルタ９２側
に検出部３が、それぞれ接続される。

【００２１】定Ｋ型フィルタ９１は低域通過フィルタと
して構成されており、その共振点は発振周波数ｆ１や共
振周波数ｆ０より低く、また遮断域は検出部３からの信
号の周波数（すなわち検出しようとしている静電容量変
化の周波数）に比べ遥かに高く設計されている。ノッチ
フィルタ９２は、発振周波数ｆ１や共振周波数ｆ０より
わずかに低い共振点を有する誘導Ｍ型フィルタとして構
成されており、従って発振周波数ｆ１や共振周波数ｆ０
の近傍では誘導性である。ノッチフィルタ９２の共振点
はトラップ９３により定められている。

【００２２】このような定Ｋ型フィルタ９１は、誘電体
共振器２１側から見て、発振周波数ｆ１近傍（共振周波
数ｆ０を含む）において非常に大きなインピーダンスと
して機能する。従って、この定Ｋ型フィルタ９１を誘電
体共振器２１と検出部３の間に挿入することで、共振周
波数ｆ１近傍帯域で誘電体共振器２１と検出部３の間を
遮断でき、高周波信号の干渉を防ぐことができる。

【００２３】しかし、定Ｋ型フィルタ９１はコイル９４
を有しており、このコイル９４にはある程度の浮遊容量
が伴う。この浮遊容量の値次第では、発振周波数ｆ１の
近傍で十分な減衰量が得られない可能性がある。そこ
で、本実施例では、ノッチフィルタ９２が設けられてい
る。このノッチフィルタ９２は、上述のように発振周波
数ｆ１近傍でＬとして機能する。これにより、コイル９
４の浮遊容量に起因した減衰量（高周波信号の抑圧量）
不足が防止される。

【００２４】また、検出部３において検出される信号の
周波数に比べ、ノッチフィルタ９２の共振点は十分高
く、また定Ｋ型フィルタ９１の遮断域は十分高い。従っ
て、検出部３側から見た場合、フィルタ回路９のインピ
ーダンスを無視でき、単なる配線が存在しているのみと
見なすことができる。

【００２５】従って、本実施例によれば、トランジスタ
を用いないでフィルタ回路９を構成しているため、トラ
ンジスタの入力容量による制限を受けることなく、すな
わち１０^-2〜１０^-5ｐＦ程度の微小な静電容量変化に至
るまで、検出することができる。さらに、高周波信号の
干渉（ビート発生）による不安定動作や雑音の発生を防
止できる。例えば、先提案の構成に比べ１０倍以上安定
でＳ／Ｎも改善された静電センサが得られる。このよう
な改良は、静電センサの用途をさらに拡大する。

【００２６】図２には、本発明の第２実施例におけるフ
ィルタ回路９の構成が示されている。この実施例は第１
実施例の構成を分布定数線路（マイクロストリップライ
ン等）により構成した例である。なお、図中９５及び９
６はそれぞれ誘電体共振器２１又は検出部３との接続に
係るカップラである。このような構成とした場合、集中
定数回路で構成した場合に比べ、高い周波数で使用でき
る。例えばコイル９４として集中定数のコイルを使用す
るのは、発振周波数ｆ１が１０ＧＨｚ程度以上の場合困
難である。図２の構成は、そのような制限を受けない。

【００２７】なお、各フィルタ９１及び９２の段数は、
高周波信号をどの程度減衰させるか（要求される抑圧
量）に応じて設定すればよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
共振回路と検出部の間に受動フィルタ回路を設け、この
受動フィルタ回路により高周波信号を抑圧するようにし
たため、高周波信号間の干渉を防ぐことができ、より安
定で雑音の少ない検出動作を実現できる。また、共振回
路と検出部の接続にトランジスタを用いる必要がなくな
り、トランジスタが有している静電容量の影響を排除で
き、より微小な静電容量変化を検出可能になる。

【００２９】また、本発明によれば、遮断周波数が発振
周波数より低い低域通過型の第１のフィルタ及び発振周
波数近傍で誘導性回路として機能する第２のフィルタに
よって受動フィルタ回路を構成するようにしたため、例
えば定Ｋ型フィルタや誘導Ｍ型フィルタを用いた簡素な
回路構成で上述の効果を実現できる。加えて、第１のフ
ィルタを構成するコイルに浮遊容量が存在していたとし
ても、その影響（例えば高周波信号の抑圧量の不足）を
誘導性回路として機能する第２のフィルタにより低減乃
至防止できる。これにより、検出感度を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る静電センサの要部構
成を示す回路図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る静電センサの要部構
成を示す電極形状図である。

【図３】共振方式に係る静電センサの構成及び原理を示
す図であり、図３（ａ）は回路構成を示すブロック図、
図３（ｂ）は共振周波数の設定内容を示す図である。

【図４】本願出願人が先に提案した静電センサの構成を
示す回路図である。

【図５】先提案の構成におけるＣ−Ｌ変換回路の構成を
示す回路図である。

【符号の説明】

１発振回路２共振回路３検出部４検波部５増幅回路６高インピーダンス変換回路８ＡＦＣ回路９フィルタ回路９１定Ｋ型フィルタ９２ノッチフィルタ９３トラップ９４コイル９５，９６カップラ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発振周波数を決定する第１の誘電体共振
器を含む発振回路と、この発振周波数とわずかに異なる
周波数で共振する共振回路と、被検出体との間の静電容
量の変化を検出しこれを発振周波数より低い周波数の信
号として共振回路に供給することにより、共振回路の共
振周波数を上記静電容量の変化に応じて変化させる検出
部と、を備え、静電容量の変化を共振周波数の変化によ
り検出する静電センサにおいて、共振回路と検出部の間に介在し、共振回路側から見たイ
ンピーダンスが発振周波数近傍で高く、検出部側から見
たインピーダンスが静電容量の変化に係る周波数で低い
受動フィルタ回路を備えたことを特徴とする静電セン
サ。
【請求項２】請求項１記載の静電センサにおいて、受動フィルタ回路が、発振周波数より低い遮断周波数を
有する低域通過型の第１のフィルタと、第１のフィルタ
と縦続接続され発振周波数近傍で誘導性回路として機能
する第２のフィルタと、を有することを特徴とする静電
センサ。